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EXPANSÃO TÉRMICA

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  EXPANSÃO TÉRMICA

Expansão térmica ou dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento das dimensões de um corpo devido a elevação de sua temperatura. Com algumas exceções, todos os corpos quer sejam sólidos, líquidos ou gasosos, dilatam-se quando sua temperatura é elevada.

POR QUE UM CORPO SE EXPANDE

Por que os corpos podem aumentar ou diminuir de tamanho? 

Todo corpo é formado por partículas. Quando aquecidas, a agitação dessas partículas torna-se mais intensa e a distância entre elas aumenta, consequentemente o corpo aumenta de tamanho.

Quando reduzimos a temperatura de um corpo, as partículas apresentam menor agitação e consequetemente a distância entre as partículas diminui, logo, as dimensões do corpo diminuem, provocando o que chamamos de contração térmica.

Moleculas1.jpg

Representação da expansão térmica das partículas

No nosso dia-a-dia, acontecem constantes dilatações térmicas. A seguir, alguns exemplos:

As calçadas e quadras poliesportivas sofrem dilatação quando a temperatura aumenta e contração quando a temperatura diminui. Neste processo de dilatação e contração podem acontecer fissuras. 

As tampas metálicas dos vidros de alimentos, quando aquecidas,  dilatam-se mais que o vidro e podem ser abertas mais facilmente.

Um exemplo bem interessante são os aviões pois eles sofrem grande dilatação devido ao grande de temperatura a que são submetidos constantemente. 

A porta tem a caracterísitca de ficar meio presa durante os meses mais frios. Nessa época do ano há certa dificuldade para fechar a porta, pois ela fica quase batendo no batente dela. Isso acontece por efeitos de dilatação que reduzem a folga na altura da fechadura.

Quando você liga o carro numa manhã fria, ele faz ruídos estranhos, e estes ruídos só irão "parar", quando a temperatura elevar-se, possibilitando um espaço maior para as peças e a fuzilagem do veículo.

A gasolina também se dilata com o calor, aumentando o seu volume. Por isso que os seus reservatórios são subterrâneos, aonde não acontece tanta dilatação.

A expansão térmcia é um fenômeno comum, podendo ocorrer  desde uma xícara de chá até as rachaduras nas calçadas.

Veja outros exemplos no link: http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/a-dilatacao-termica-no-cotidiano.htm

O vídeo a seguir é uma demonstração da expansão térmica dos sólidos:

Dilatação dos Sólidos02:25

Dilatação dos Sólidos

Na realidade, quando um corpo se dilata, ele sofre variações nas três dimensões: no comprimento, na largura e na altura (ou espessura); no entanto, dependendo da situação, é necessário observar apenas uma delas. Dependendo dessa observação, a expansão térmica pode ser linear, superficial ou volumétrica.

EXPANSÃO UNIDIMENSIONAL OU LINEAR DOS SÓLIDOS

​A dilatação linear aplica-se apenas para os corpos em estado sólido, e consiste na variação considerável de apenas uma dimensão (comprimento). Como, por exemplo, em barras, cabos e fios.Os trilhos de uma estrada de ferro dilatam-se nas três dimensões, porém a expansão do comprimento é que predomina.

Existem três fatores que afetam a expansão térmica de um corpo:


  • o coeficiente de dilatação linear do material (α);</li>

    o comprimento inicial do material (L0);

    a variação de temperatura (∆θ = θ2 - θ1)

    Portanto:

    A expansão térmica linear depende do tipo de material, pois cada material tem o seu α específico e é proporcional ao comprimento inicial e a variação de tempertatura a qual o corpo é submetido.

    Matematicamente, a expansão unidimensional pode ser representa desta forma:

    ∆L=L₀∙α∙∆θ 

    A imagem representa a expansão térmica linear de uma barra de um determinado material:

    Images (1).jpg

    A tabela abaixo apresenta  alguns valores usuais de coeficientes de dilatação linear de alguns materias. A unidade usada para α é o inverso da unidade de temperatura, como: °C⁻¹ .

    Substância

    α (°C⁻¹)

    Chumbo

    27∙10⁻⁶

    Zinco

    26∙10⁻⁶

    Alumínio

    22∙10⁻⁶

    Prata

    19∙10⁻⁶

    Cobre

    17∙10⁻⁶

    Ouro

    15∙10⁻⁶

    Ferro

    12∙10⁻⁶

    Platina

    9∙10⁻⁶

    Vidro (comum)

    8∙10⁻⁶

    Tungstênio

    4,3∙10⁻⁶

    Vidro (pyrex)

    3∙10⁻⁶

        Fonte da tabela: http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Dilatacao/linear.php

    As imagens são exemplos de expansão linear no dia a dia:

    OBS.: As juntas de dilatação ou expansão térmica são pequenos espaços entre os trilhos com a função de permitir a sua expansão quando a temperatura for elevada, isso é importante porque evita a deformação dos trilhos  e diminui a probabilidade de acidentes.

    REPRESENTAÇÃO GRAFICA

    1610 86.gif

    Podemos expressar a dilatação linear de um corpo através de um gráfico de seu comprimento (L) em função da temperatura (θ), desta forma:

    O gráfico deve ser um segmento de reta que não passa pela origem, já que o comprimento inicial não é igual a zero. Considerando um ângulo φ como a inclinação da reta em relação ao eixo horizontal. Podemos relacioná-lo com:

        

    VAMOS ESTUDAR UM EXEMPLO DE DILATAÇÃO LINEAR:

    Um trilho de aço tem 100m de comprimento a 10°C. Qual o acréscimo de comprimento desse trilho quando a sua temperatura chega a 30°C?(dado: coeficiente de dilatação linear do aço: αaço=1,1 . 10-5 °C-1)

    RESOLUÇÃO

    L0 = 100m
    ∆T = 30 °C – 10 °C = 20 °C
    αaço=1,1 . 10-5 °C-1

    Aplicando a equação ∆L = L0 . α . ∆T , podemos encontrar a variação de comprimento do trilho:

    ∆L = L0 . α . ∆T
    ∆L = 100. 1,1 . 10-5 . 20
    ∆L = 0,022 m 

    EXPANSAO TERMICA BIDIMENSIONAL OU SUPERFICIAL DOS SOLIDOS 

    A dilatação superficial ocorre, predominantemente em duas dimensões:comprimento e largura, portanto pode ser caracterização como uma uma expansão da área.

    Depende de três fatores: 

    o coeficiente de dilatação superficial do materia (β); ​a área inical 

    A0, que é a medida da área em determinada temperatura θ0;A variação de temperatura Δθ = θfinal – θ0</li>

    Portanto, a expresão matemática que representa a expansão superficial é:

    ΔA = β . A0 . Δθ 

    Assim:

    Representação da dilatação superficial.jpg

    Obs:


    </li>

  • O valor de β é aproximadamente o dobro do valor de α : β= 2 . α</li></li></li>
  • ΔA = A - A0</li>



    </li>

    </li>

  • Expansão superficial de uma placa metálica

    Uma chapa metálica expande-se ou contrai-se de tal forma que, havendo ou não firos em sua extensão, ela assume as mesmas dimensões.

    Full-1-7594c59229.jpg

    http://www.infoescolDisponível em:a.com/termodinamica/dilatacao-de-cavidades/






    </li>

    EXPANSÃO TÉRMICA TRIDIMENSIONAL OU VOLUMÉTRICA

    Na expansão térmcia tridimensional ocorre dilatação nas três dimensões: comprimento, largura e altura, ou seja, ocorre uma dilatação de volume V.

    A expansão volumétirca também depende de três:


  • coeficiente de dialtação volumétrica:  γ</li></li>
  • volume inicial (V0), que é medido a certa temperttura ᶿ0:

    A variação de temperatura final: Δᶿ = ᶿ - ᶿ0

    Portanto, a expansão volumétrica pode ser representada, matematicamnete, da seguinte forma:

    ΔV = V0 . γ. Δᶿ

    ​     Na sequencia, uma imagem que representa a expansão volumétrica:

    Deltaele33.png

    http://osfundamentosdafisica.blogspot.com.br/2013/03/cursos-do-blog-termoloia-optica-e-ondas.html




    </li>

    EXPANSÃO TÉRMICA DOS LÍQUIDOS

    Os líquidos também sofrem dilatação térmica, que geralmente é maior do que a do recipiente que os contém. Assim, a dilatação dos líquidos é tipo volumétrica.

    A expansão volumétrica de um líquido deve ser nalaisada em conjunto com a do recipiente no qual está contido. A dilatação entre as duas dilatações é denominada dilatação aparente do líquido.

    Dilatação aparentee do líquido = dilatação real do líquido - dilatação do recipiente

    Fig8.gif

    http://www.passo-a-passo.com/mec/6.1.2/05_teoria_frame.htm



    Para ampliar seus conhecimentos sobre expansão térmica, assista a teleaula que segue:

    Novo Telecurso - Ensino Médio - Física - Aula 22 -- Está com febre?15:03

    Novo Telecurso - Ensino Médio - Física - Aula 22 -- Está com febre?

    CURIOSIDADES:


    Você sabia que: Na fabricação de rodas de carroça e barris, por exemplo, os aros metálicos são aquecidos ao fogo e dilatados; depois são facilmente colocados. Ao esfriar, o metal se contrai e os aros ficam bem justos e firmes na madeira das rodas ou dos barris.



    DICAS DE LINKS:

    1- Animação sobre expansão térmica linear:http://www.if.ufrgs.br/~leila/linear.htm

    REFERENCIAS:

    http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Dilatacao/linear.php

    Física 2: Física Térmica e Óptica / GREF 3ª. Ed. São Paulo: EDUSP, 1996;

    KAZUHITO, Yamamoto; FUKE, Luiz Felipe. Física para o Ensino Médio. São Paulo: Editora Saraiva, 2010. Vol.2. 

    MÁXIMO, Antônio; ALVARENGA, Beatriz. Física: ensino médio. São Paulo: Editora Scipione, 2009. Vol.2.

    </li>

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