DILATAÇÃO TÉRMICA. Física II Dilatação Térmica Expansão das Moléculas Temperatura: é a...

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DILATAÇÃO TÉRMICA

Física IIDilatação Térmica

Expansão das Moléculas

• Temperatura: é a medida do grau de agitação das moléculas;• Calor: é a troca de energia causada exclusivamente por uma diferença de temperatura.

É importante que saibamos diferenciar temperatura e calor.

Física IIDilatação Térmica

Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao crescimento das dimensões de um corpo, ocasionado pelo aumento de sua temperatura.

Dilatação Térmica

Definição

Física IIDilatação Térmica

Para pensar melhor...• Como facilitar a abertura da tampa de um

vidro de azeitonas ?• A tampa de metal e o vidro sofrerão alterações

quando aquecidas?• Como esse fenômeno pode ser explicado

fisicamente?

Você já observou os trilhos em uma estrada de ferro?

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Juntas de dilatação

Juntas de dilatação para tubulação

Os fios de telefone ou luz, expostos ao Sol, variam suas temperaturas, fazendo com que o fio se estenda de um comprimento inicial (Lo) para um comprimento final (L), aumentando assim sua curvatura.

Imagem: Hugh Venables / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic.

Ocorre quando o corpo sofre expansão em uma dimensão

A dilatação do fio depende de três fatores:

• da substância da qual é feito o fio; • da variação de temperatura sofrida pelo fio; • do comprimento inicial do fio.

Dilatação Linear

EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO LINEAR

∆L = Lo.α.∆T

• ∆L é variação de comprimento do fio, ou seja, ∆L = Lf – Lo;

• Lo é o comprimento inicial;

• Lf é o comprimento final;

• α é o coeficiente de dilatação linear, uma característica da substância. Sua unidade é o °C-1;

• ∆T é a variação de temperatura, ou seja, ∆T = Tf - To, onde To representa a temperatura inicial do fio e Tf a temperatura final.

• Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível, frente às outras duas, por exemplo, uma chapa (1).

A expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo.

Dilatação Superficial

Vemos uma chapa retangular que, ao ser aquecida, teve toda a sua superfície aumentada, passando de uma área inicial (Si) a uma área final (Sf). Ou seja, a variação da área de superfície S pode ser escrita por (2):

∆S= Sf – Si

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

A dilatação superficial, analogamente à dilatação linear, depende:

• da variação de temperatura sofrida pelo corpo;• da área inicial;• do material do qual é feito o corpo. O coeficiente

utilizado neste caso, é o de dilatação superficial β, que equivale a duas vezes o coeficiente de dilatação linear, isto é: β = 2α. Sua unidade também é o °C-1 (3).

• ∆S é a dilatação superficial ou o quanto a superfície variou;

• β é o coeficiente de dilatação superficial;

• Si é a área inicial; • ∆T é a variação de

temperatura (4).

∆S = β.Si.∆TEQUAÇÃO DA DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

– Objetivo: Verificar como diferentes materiais produzem diferentes dilatações.

Material: – papel comum 3x10cm; – papel alumínio 3x10cm; – cola; – vela.

Experimento 1: Dilatação Superficial Lâmina Bimetálica

Procedimentos: – cole o papel comum, no lado opaco do

papel alumínio; – espere secar; – aproxime a vela acesa do papel alumínio e

veja o que acontece; – aproxime a vela do papel comum; – verifique a diferença e qual dos dois sofreu

maior dilatação (5).

– FAÇA VOCÊ MESMO!

Material: – 20 cm de fio de cobre de 1mm de diâmetro (fio elétrico); – bolinha de isopor de 1 a 1,5 cm de diâmetro; – suporte de caneta (sem carga); – lamparina ou suporte com vela;

Procedimentos: – descasque o fio de cobre; – passe-o ao redor da bolinha, formando um anel. O

fio deve ficar bem justo; – passe a outra extremidade do fio pelo interior da

caneta (que servirá de suporte) e prenda-o; – acenda a lamparina e pegue a caneta com o aro, sem

a bola e coloque-a sobre a lamparina por mais ou menos dois minutos;

– retire a lamparina e em seguida passe a bolinha pelo aro;

– verifique o que acontece (6).

A grande maioria dos corpos sólidos possui três dimensões: altura, comprimento e espessura. Quando aquecido, o sólido sofre expansão em cada uma delas, resultando em um aumento no volume total do corpo (7).

Dilatação Volumétrica

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre:• variação da dimensão;• dimensão inicial;• variação da temperatura.

Adicionando-se um coeficiente que depende do material do qual o sólido é formado, garantimos a relação entre os termos da equação da dilatação volumétrica .

Onde:• ΔV = Vf – Vi é a variação do volume; • Vi é o volume inicial; • ΔT = T – To é a variação da temperatura; • γ é o coeficiente de dilatação volumétrico; γ =

β = 3α para uma mesma substância. Sua unidade também é o °C-1.

ΔV= γ Vi ΔT

Assim, obtém-se:

Os líquidos, assim como os sólidos, sofrem dilatações ao serem aquecidos. Uma vez que não têm forma própria, fato este devido à gravidade, adquirem a forma do recipiente . Se o líquido estivesse livre da atração gravitacional (no espaço, por exemplo) obteria a forma de uma esfera, pois nessa geometria há a menor área de superfície para um determinado volume.

Dilatação dos Líquidos

A gota, uma pequena porção de água, costuma obter formato esférico

Imagem: Vlieg / Public Domain.

Ao se ver o conjunto recipiente + líquido ser aquecido, tem-se a sensação de que apenas o líquido teve seu volume aumentado. Mas, na verdade, ambos os corpos, em diferentes estados físicos, sofrem dilatação. Como o líquido tem mais facilidade de absorver calor, sofre uma maior variação de volume do que o recipiente sólido. O que se observa é a dilatação aparente (ΔVaparente) do líquido. Imagem: Jorge Barrios / Public Domain.

Para saber sua dilatação real (ΔVlíquido), precisa-se adicionar a dilatação do recipiente (ΔVrecipiente), e para isso, deve-se conhecer os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e do recipiente. A dilatação real do líquido é, portanto, a dilatação aparente, somada à dilatação do recipiente.

ΔVlíquido = ΔVaparente + ΔVrecipiente

Os gases têm ainda mais facilidade de absorver calor que os líquidos. Por isso, são substâncias comumente utilizadas em experimentos termodinâmicos. Para que os balões possam levantar voo, por exemplo, o gás que preenche o seu conteúdo deve ser aquecido. A expansão volumétrica é tão intensa, que a densidade do gás dentro do balão torna-se menor que a densidade do ar da atmosfera, fazendo com que o balão comece a flutuar.

Dilatação dos Gases

Imagem: Joedeshon / Creative Commons Attribution 2.5 Generic.

• ATIVIDADE • Objetivo: explicitar o

conceito de dilatação dos líquidos e gases;

• Material: 2 recipientes de vidro, 2 bolas de encher, um Becker com água quente e outro com água fria.

• Procedimentos: • prenda as bolas de encher na borda dos

recipientes de vidro. Coloque um deles na água quente e o outro na água fria;

• observe o fenômeno termodinâmico e explique as causas do ocorrido.

Bibliografia

Física II - Dilatação Térmica

• Gonçalves Filho, A.; Toscano, C. Física para o ensino médio. 1. ed. São Paulo:Scipione, 2002.

• Arribas, S. D. Experiências de física na escola. 4. ed. Passo Fundo: Universitária, 1996.