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.
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:
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 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:
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
thumb|left|link=Ficheiro: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
Portanto, a expresão matemática que representa a expansão superficial é:
ΔA = β . A0 . Δθ
Assim:
Obs:
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.
http://www.infoescolDisponível em:a.com/termodinamica/dilatacao-de-cavidades/
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:
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:
http://osfundamentosdafisica.blogspot.com.br/2013/03/cursos-do-blog-termoloia-optica-e-ondas.html
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
Para ampliar seus conhecimentos sobre expansão térmica, assista a teleaula que segue:
.jpg){kind=link}
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.