Propriétés de la matière en vrac
Lorsque les atomes ou les molécules se lient entre eux, leur comportement change. Les caractéristiques mécaniques, qui découlent de la façon dont les molécules ou les atomes réagissent aux forces ou aux échanges d'énergie lorsqu'ils sont liés, sont connues sous le nom de propriétés de masse.
Un exemple de propriétés mécaniques dans les solides est l'extension d'un élastique ou la rayure d'un diamant.
Un élastique est constitué de molécules formant de longues chaînes appelées polymères. Les chaînes sont enchevêtrées et désordonnées, comme le montre la figure ci-dessous.
Les longues chaînes, appelées polymères, qui composent un élastique, sont enchevêtrées lorsqu'aucune force n'agit pour tendre l'élastique
Lorsqu'elles sont étirées, les chaînes se dilatent, ce qui permet à l'élastique d'augmenter sa longueur sans se rompre. Dans ce cas, la force appliquée démêle les chaînes, comme le montre la figure suivante.
Lorsque l'on tend l'élastique, les chaînes qui le composent s'allongent et se réordonnent
Les chaînes peuvent résister à une certaine force sans se rompre ou se déformer. Si la force appliquée à l'élastique est suffisamment faible pour ne pas le déformer de façon permanente, il reprendra sa longueur initiale.
Voici un autre exemple :
Les atomes de carbone ont quatre électrons dans leur enveloppe extérieure. Ces électrons peuvent se lier librement à d'autres éléments. Dans le cas d'un diamant, les atomes de carbone partagent ces électrons avec les autres atomes de carbone.
Lorsque le carbone est soumis à une pression et à des températures importantes, il sera comprimé jusqu'à ce que les atomes forment un cristal. Il en résulte donc une structure cristalline compacte sans électrons libres, ce qui rend le diamant très dur et lui donne même la capacité de ne pas réagir aux acides.
Voici quelques propriétés importantes du diamant en vrac :
- La dureté.
- Conductivité électrique.
- Conductivité thermique.
- L'élasticité.
- La densité.
- Résistance à la traction.
Propriétés globales de la matière en mécanique
Certaines propriétés globales sont spécifiquement liées au comportement mécanique d'un matériau. La dureté et l'élasticité en sont deux exemples. Ces caractéristiques sont importantes à prendre en compte, car nous avons besoin de connaître les réponses mécaniques des matériaux aux forces et aux charges. Par exemple, certains matériaux doivent être flexibles pour ne pas se casser lorsqu'ils sont déformés, comme la monture de tes lunettes. D'autres caractéristiques importantes qui nous aident à classer les matériaux sont leur densité, leur résistance à la traction et leur module d'él asticité.
Les caractéristiques des matériaux découlent en partie de la liaison chimique entre les particules. Dans la matière solide, les métaux ont des liaisons métalliques, les polymères ont généralement des liaisons covalentes et les céramiques ont des liaisons ioniques.
Le type de liaison dans la matière dicte non seulement les caractéristiques mécaniques du matériau mais aussi son arrangement structurel. Tu peux considérer cela comme un ressort entre les atomes. Les ressorts qui relient les atomes métalliques sont plus rigides que ceux qui relient un élastique.
L'élasticité d'un matériau peut être représentée en utilisant l'analogie des ressorts entre les éléments qui composent le matériau. Chaque matériau comporte des ressorts dont la rigidité est différente
Les molécules d'un élastique sont constituées de longues chaînes enchevêtrées. Lorsqu'elles sont tirées par une force, leur disposition change et elles s'allongent.
Lorsqu'un élastique se tend, ses molécules se démêlent, ce qui permet à l'élastique de s'allonger.
La principale différence entre un élastique et les diamants ou les métaux est que ces deux derniers ont une structure serrée et linéaire qui ne leur permet pas de s'allonger beaucoup.
Le type de liaison peut également influencer d'autres propriétés en vrac, telles que le point de fusion. Les matériaux comportant des liaisons ioniques, covalentes ou métalliques ont des points de fusion plus élevés, tandis que les liaisons hydrogène, telles que celles de van der Waals, ont des points de fusion plus bas.
L'élasticité
L'élasticité est la capacité d'un matériau à s'allonger lorsqu'une force lui est appliquée et à retrouver sa forme initiale lorsque la force est supprimée. L'élasticité est une caractéristique importante dans la science et l'industrie où les matériaux élastiques sont nécessaires pour certains types de travaux et d'applications. Un exemple concerne les matériaux utilisés dans les airbags qui, lors d'un accident, doivent résister à des impacts puissants et à des déformations rapides tout en restant solidaires.
L'élasticité d'un matériau se mesure en Pascals. Pour effectuer cette mesure, il faut procéder à un essai mécanique, qui est généralement réalisé en allongeant un matériau à l'aide d'une force "F", comme le montre l'image ci-dessous.
Les propriétés des matériaux, telles que l'élasticité, peuvent être mesurées en effectuant des essais mécaniques, au cours desquels les objets sont exposés à des forces qui les allongent. L'allongement entraîne une déformation δl sous l'effet d'une force F.
Le matériau subit une "contrainte mécanique" et change de longueur. Il revient ensuite à sa longueur initiale tant qu'il n'a pas dépassé sa "limite élastique". Plus la force à laquelle le matériau peut résister sans se déformer est importante, plus il est élastique. Une propriété importante des matériaux élastiques est connue sous le nom de module de Young, qui se mesure en Pascals.
Le module de Young
Le module de Young peut être décrit comme la proportion entre la déformation d'un matériau et la contrainte mécanique à laquelle il est exposé. Vois le graphique de la contrainte en fonction de la déformation ci-dessous.
La ligne rouge de la figure indique que la contrainte et la déformation sont proportionnelles l'une à l'autre. Dans la zone étiquetée "zone élastique", le matériau reprend sa forme initiale après avoir été déformé. La pente de la ligne rouge est connue sous le nom de module élastique ou module de Young. Ce module est différent selon les matériaux, comme le montre le tableau suivant.
| Matériau | Module de Young (GPa) |
| Polystyrène | 3-3.5 |
| Aluminium | 68 |
| Verre | 50-90 |
| Cuivre | 117 |
| Diamant | 1220 |
Pour obtenir le module de Young à partir d'un tracé de contrainte et de déformation, nous devons calculer la pente de la courbe dans la zone élastique. Cela peut se faire facilement à l'aide de la formule ci-dessous si tu connais deux points de la courbe de contrainte et de déformation.
\[Module = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} = \frac{\sigma_2-\sigma_1}{\varepsilon_2-\varepsilon_1} = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \varepsilon}\]
La contrainte de traction σ est définie comme la force appliquée pour déformer le matériau divisée par la surface de la section transversale du matériau, tandis que la déformation de traction ε est l'augmentation de la longueur divisée par la longueur d'origine. Tu peux voir cela dans les formules ci-dessous.
\[\sigma = \frac{F}{A}\]
\[\varepsilon = \frac{\delta I}{I}\]
Un métal, c'est-à-dire une barre de surface A, est testé à l'aide d'un essai de traction. La force appliquée augmente, ce qui produit un allongement dans la zone élastique du matériau. Les données recueillies sont indiquées dans le tableau ci-dessous. Trouve le module de Young pour ce métal si la surface de la barre est de 4,2∙10-8 mètres carrés avec une longueur initiale de 2 mètres.
| Force (N) | Extension (mm) |
| 0 | 0 |
| 1 | 0.365 |
| 2 | 0.73 |
| 2.9 | 1.45 |
| 4 | 2 |
\[\sigma = \frac{F}{A} = \frac{2,9 N}{4,2 \cdot 10^{-8} m^2} = 6,9 \cdot 10^7 Pa\]
Pour F = 0, ton résultat sera 0. Maintenant, nous calculons l'allongement de la barre.\N- [\Nvarepsilon = \Nfrac{1,45 \cdot 10^{-3}}{2} = 7,25 \cdot 10^{-4} m\N].
Pour notre premier point, le résultat sera à nouveau 0. Enfin, nous divisons les deux.\[Module = \frac{\sigma}{\varepsilon} = \frac{6,9 \cdot 10^7 Pa}{7,25 \cdot 10^{-4}} = 9,517 \cdot 10^{10} Pa \approx 9.52 \cdot 10^{10} Pa\]
Loi de Hooke
La zone élastique d'un matériau peut être modélisée à l'aide de la loi de Hooke. Dans ce cas, une analogie est utile. La force appliquée au matériau est analogue à un poids tiré par la gravité, et l'élasticité du matériau est un ressort déformé par le poids.
Dans ce cas, la force est proportionnelle à l'allongement et à la constante du ressort k.
La plasticité
Lorsque les matériaux sont allongés au-delà de leur zone élastique, ils entrent dans leur zone plastique, qui indique la zone dans laquelle les matériaux commencent à se déformer de façon irréversible à mesure que la force continue à les tirer. Tu vois la ligne bleue dans l'image suivante.
Un matériau soumis à un essai de traction présente une déformation (contrainte) qui dépend de la force appliquée (contrainte mécanique). La zone dans laquelle la relation entre la contrainte de traction et la déformation n'est plus linéaire est connue sous le nom de zone plastique
La zone plastique commence là où la proportion entre la contrainte de traction et les déformations de traction n'est plus linéaire.
Dureté
La dureté, mesurée en Pascals, est la propriété des matériaux à résister à la pénétration ou aux rayures. Pour de nombreux matériaux, l'élasticité est inversement proportionnelle à la dureté. Les molécules et les atomes qui permettent à un matériau de s'allonger permettent également à une force appliquée sur une petite partie de la surface de pénétrer dans le matériau. Les matériaux peu élastiques, comme les métaux et les diamants, ne le sont pas, car la solidité de leurs liaisons et de leurs structures résiste à la pénétration d'une force qui essaierait de les pousser.
La densité
La densité, qui se définit comme la quantité de masse existant dans une unité de volume, est une autre propriété importante des matériaux. La densité est généralement mesurée en unités SI, en kilogrammes par mètre cube. La densité d'un matériau varie en fonction de deux facteurs :
- La structure atomique du matériau.
- L'élément dont il est constitué.
Il est bien connu que les éléments plus lourds pèsent plus lourd. Cependant, la structure atomique joue également un rôle important dans la densité. Les atomes d'éléments plus légers qui sont fortement tassés sont plus denses que les atomes d'éléments plus lourds dont la structure atomique incorpore plus d'espace.
La structure d'un diamant est constituée d'atomes de carbone d'un poids de 12,01 unités de masse atomique, tandis que le titane pèse 47,867 unités de masse atomique. Le poids du carbone est presque quatre fois plus petit que celui de l'atome de titane.
Cependant, la structure d'un diamant est beaucoup plus dense, et la densité moyenne des diamants peut atteindre environ 3520 kilogrammes par mètre cube. Le titane, quant à lui, a une densité d'environ 4420 kilogrammes par mètre cube.
Même si la différence entre les masses du titane et du carbone est assez importante, la densité du titane n'est supérieure que de 25,6 % à celle du carbone.
Propriétés des solides en vrac - Principaux enseignements
- Les propriétés globales sont des propriétés mécaniques qui résultent de l'action des atomes ou des molécules après leur liaison.
- L'élasticité, la résistance à la traction, la densité, la dureté, la conductivité électrique et la conductivité thermique sont quelques-unes des propriétés importantes des solides.
- L'élasticité et la dureté décrivent respectivement la façon dont les corps peuvent être déformés et reprendre leur forme initiale (élasticité) et la facilité avec laquelle on peut les pénétrer ou les rayer (dureté).
- La limite d'élasticité est le point à partir duquel un matériau commence à se déformer de telle sorte qu'il ne peut plus revenir à sa forme initiale.
- Lorsque le matériau quitte sa zone élastique, il entre dans sa zone plastique, où il se déforme de manière irréversible.
- Le module de Young décrit le rapport entre la contrainte mécanique et la déformation du matériau.
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