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Dilatação Térmica

 

Dilatação Térmica - O que é

A expansão térmica é a tendência da matéria para mudar de forma, área, e o volume em resposta a uma mudança na temperatura, por meio de transferência de calor.

A expansão térmica, o aumento geral do volume de um material como a sua temperatura é aumentada.

É geralmente expressa como uma mudança fracional no comprimento ou volume por unidade de temperatura mudança; linear coeficiente de expansão é geralmente utilizado para descrever a expansão de um sólida, enquanto que um coeficiente de expansão de volume é mais útil para uma líquido ou um gás.

Se um sólido cristalino é isométrica (tem a mesma configuração estrutural), a expansão será uniforme em todas as dimensões do cristal.

Se não for isométrica, pode haver diferentes coeficientes de expansão para diferentes direções cristalográficas, e o cristal irá mudar a forma como as mudanças de temperatura.

Em um sólido líquido ou, há um equilíbrio dinâmico entre as forças de coesão que prendem os átomos ou moléculas em conjunto e as condições criadas pela temperatura; temperaturas mais altas implicam maior distância entre os átomos.

Diferentes materiais têm diferentes forças de ligação e, portanto, diferentes coeficientes de dilatação

Dilatação Térmica - Temperatura

A expansão térmica ocorre quando um objeto se expande e se torna maior, devido a uma mudança na temperatura do objeto.

Para entender como isso acontece, precisamos pensar sobre o que a temperatura é realmente.

A temperatura é a energia cinética média (ou de movimento) das moléculas de uma substância.

Uma temperatura mais elevada significa que as moléculas se movem mais rapidamente, em média.

Se você aquecer um material, as moléculas se movem mais rapidamente, e, como resultado, eles ocupam mais espaço - eles tendem a mover-se em áreas que anteriormente estavam vazios. Isto faz com que o tamanho do objeto a aumentar.

Dilatação Térmica - Matéria

A expansão térmica é a tendência da matéria para mudar de volume em resposta a uma mudança na temperatura.

Quando uma substância é aquecida, as partículas começam a mover-se e, assim, manter normalmente uma maior separação média.

Materiais que contrato com o aumento da temperatura são raras; este efeito é limitado em tamanho, e só ocorre dentro de faixas de temperatura limitadas.

O grau de expansão dividida pela mudança de temperatura é chamado "coeficiente de expansão térmica" do material de e, geralmente, varia com a temperatura.

Materiais geralmente têm uma constante coeficiente de expansão térmica que não é mudado consideravelmente durante a utilização destes materiais. No entanto, para uma análise precisa, a medição da expansão térmica em toda a gama operacional de temperaturas de e pressões seria essencial. Com um aumento na energia de expansão térmica ligação geralmente diminuir, devido a que a dureza dos sólidos é afetada.

Dilatação Térmica - Volume

Todos os corpos na natureza estão sujeitos a este fenômeno, uns mais outros menos.

Geralmente quando esquentamos algum corpo, ou alguma substância, esta tende a aumentar seu volume (expansão térmica). E se esfriarmos algum corpo ou substância esta tende a diminuir seu volume (contração térmica).

Existem alguns materiais que em condições especiais fazem o contrário, ou seja, quando esquentam contraem e quando esfriam dilatam.

É o caso da água quando está na pressão atmosférica e entre 0ºC e 4ºC.

Porque isso acontece?

Bem, você deve estar lembrado que quando esquentamos alguma substância estamos aumentando a agitação de suas moléculas, e isso faz com que elas se afastem umas das outras, aumentando logicamente o espaço entre elas. Para uma molécula é mais fácil, quando esta está vibrando com mais intensidade, afastar-se das suas vizinhas do que aproximar-se delas. Isso acontece por causa da maneira como as forças moleculares agem no interior da matéria. Então ...

" ...se o espaço entre elas aumenta, o volume final do corpo acaba aumentando também"

Quando esfriamos uma substância ocorre exatamente o inverso. Diminuímos a agitação interna das mesmas o que faz com que o espaço entre as moléculas diminua, ocasionando uma diminuição do volume do corpo.

"Se o espaço entre as moléculas diminui, o volume final do corpo acaba diminuindo também"

Como calcular estas dilatações ou estas contrações?

Existem três equações simples para determinar o quanto um corpo varia de tamanho, e cada uma delas deve ser usada em uma situação diferente.

1 - Dilatação térmica linear

Dilatação Térmica

DL = o quanto o corpo aumentou seu comprimento
Lo = comprimento inicial do corpo
a = coeficiente de dilatação linear (depende do material)
DT = variação da temperatura ( Tf - Ti )

Vale destacar que o coeficiente de dilatação linear ( a ) é um número tabelado e depende de cada material. Com ele podemos comparar qual substância dilata ou contrai mais do que outra. Quanto maior for o coeficiente de dilatação linear da substância mais facilidade ela terá para aumentar seu tamanho, quando esquentada, ou diminuir seu tamanho, quando esfriada.

Outra coisa interessante de notar é que, se soubermos o valor do coeficiente de dilatação linear ( a ) de uma determinada substância, poderemos também saber o valor do coeficiente de dilatação superficial ( b ) e o coeficiente de dilatação volumétrica ( g ) da mesma.

Eles se relacionam da seguinte maneira:

b = 2a e g = 3a

2 - Dilatação térmica superficial

Dilatação Térmica

DA = o quanto o corpo aumentou sua área
Ao = área inicial do corpo
b = coeficiente de dilatação superficial (depende do material)
DT = variação da temperatura ( Tf - Ti )

3 - Dilatação térmica volumétrica

Dilatação Térmica

DV = o quanto o corpo aumentou seu volume
Vo = volume inicial do corpo
g = coeficiente de dilatação volumétrica (depende do material)
DT = variação da temperatura ( Tf - Ti )

Obs:

DL , DA ou DV positivos significa que a substância aumentou suas dimensões.

DL , DA ou DV negativos significa que a substância diminuiu suas dimensões.

Tabelas com os coeficientes de dilatação linear ( a ) e volumétrica ( g ) de algumas substâncias

substância Coeficiente de dilatação linear (a)  em ºC-1
aço 1,1 x 10-5
alumínio 2,4 x 10-5
chumbo 2,9 x 10-5
cobre 1,7 x 10-5
ferro 1,2 x 10-5
latão 2,0 x 10-5
ouro 1,4 x 10-5
prata 1,9 x 10-5
vidro comum 0,9 x 10-5
vidro pirex 0,3 x 10-5
zinco 6,4 x 10-5

 

substância Coeficiente de dilatação volumétrica  (g)  em ºC-1
álcool 100 x 10-5
gases 3,66 x 10-3
gasolina 11 x 10-4
mercúrio 18,2 x 10-5

Temperatura uma grandeza física pela qual avaliamos o grau de agitação térmica das moléculas de uma substância (sólida, líquida ou gasosa).

As escalas utilizadas em tal avaliação podem ser a Escala Celsius ou a Kelvin, que são centígradas, ou seja, divididas em cem partes.Além dessas existe a escala Fahrenheit.

Calor é nada mais que energia em trânsito provocada por difenças de temperaturas, ou seja, se dois corpos, em temperaturas diferentes, forem postos juntos, a energia térmica do corpo de maior temperatura será transferida espontaneamente para o corpo de menor temperatura. essa energia deslocada chamamos calor.

No caso teremos dois tipos de calor (abreviado pela letra Q): o calor sensível, que a quantidade de calor que um corpo cede ou absorve, provocando apenas variação de temperatura, e o calor latente ou oculto, que é a quantidade de calor cedida ou absorvida provocando apenas mudança no estado físico.

Existem três formas de transmissão de calor: condução térmica, quando a energia é transmportada de molécula a molécula (sem que estas sejam deslocadas!!!), encontrada em sólidos; convecção térmica, que ocorre em substâncias fluidas (líquido+gasoso), e irradiação térmica, onde o calor é transferido ou irradiado através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor, calor radiante), ocorre por exemplo entre o Sol e a Terra e nos micro-ondas.

Quanto a dilatação dos corpos, esta é de três tipos, uma vez que existem três estados físicos da matéria (sólido, líquido e gasoso):

1) dilatação linear (uma dimensão): o comprimento de uma barra;
2) dilatação superficial (superfície=área, logo, neste caso temos duas dimensões):
a dilatação do comprimento e da largura de uma chapa de aço; e
3) dilatação volumétrica (calcula o volume, logotrês dimensões: altura, largua e comprimento):
dilatação de um líquido ou de um gás. Quanto as fórmulas, vc deve buscá-las em qualquer livro de física do ensino médio.

Dilatação Térmica - Temperatura

Uma variação de temperatura pode alterar o valor das grandezas de um corpo, tais como: a pressão de um gás, cor e um metal, a resistência elétrica de um condutor de eletricidade, a altura de uma coluna de mercúrio, etc. (Na construção de termômetros, essas grandezas são utilizadas como grandezas termométricas.)

Você está iniciando agora o estudo da dilatação térmica, que trata da alteração das dimensões de um corpo devido à variação de temperatura.

Além da construção de termômetros, a dilatação térmica permite outras inúmeras aplicações, entre as quais podemos citar a lâmina bimetálica em pregada em dispositivos de segurança contra incêndio e em chaves automáticas (relé termostático) que desligam um circuito elétrico quando ocorre uma elevação indesejável da temperatura.

Quando a temperatura se eleva, a lâmina bimetálica se encurva, devido às dilatações que ocorrem em suas faces, constituidas por metais diferentes. Uma outra aplicação é a rebitagem de chapas metálicas. As experiências mostram que os orifícios das chapas aumentam quando sofrem elevação de temperatura. Os orifícios, com diâmetro menor que dos rebites, são aquecidos e sofrem dilatação, permitindo assim os encaixes. Quando as chapas se esfriam, os orifícios se contraem e se prendem firmemente aos rebites.

Muitas vezes, porém, a dilatação térmica dos corpos pode causar danos. É o que ocorre, por exemplo, quando os trilhos de uma ferrovia ficam deformados após uma grande elevação de temperatura. Nesse caso, as juntas de dilatação (pequenos espaços entre os trechos de um trilho) foram insuficientes.

DILATAÇÃOLINEAR

A figura mostra uma barra metálica, em duas temperaturas diferentes:

Dilatação Térmica

Verifica-se, experimentalmente, que: A constante de proporcionalidade que transforma essa relação em uma igualdade, é o coeficientede dilatação linear do material com o qual a peça foi construída.

Desse modo temos:

Dilatação Térmica

DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Verifica-se, também experimentalmente, que o acréscimo Dilatação Térmica na área de uma superfície que apresenta variações de temperatura é diretamente proporcional à sua área inicial So e à correspondente variação de temperatura Dilatação Térmica

Dilatação Térmica.

A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação superficial Dilatação Térmica tal que

Dilatação Térmica

teremos:

Dilatação Térmica

DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

Utilizando-se o mesmo raciocínio anterior e introduzindo-se o coeficiente de dilatação volumétrica, tal que

Dilatação Térmica

Dilatação Térmica= 3

teremos:

Dilatação Térmica

DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA

A maioria dos líquidos se dilatam com o aumento da temperatura e se contraem com a redução da temperatura, mas a ÁGUA constitui uma anomalia do comportamento geral entre 0ºC e 4ºC, vejamos: A partir de 0ºC a medida que a temperatura se eleva, a água se contrai, porém essa contração cessa quando a temperatura é de 4ºC; a partir dessa temperatura ela começa a se dilatar. Sendo assim, a água atinge um volume mínimo a 4ºC e nesta temperatura a sua densidade é máxima.

DILATAÇÃO DE CORPOS "OCOS"

"Corpos ocos se dilatam como se não fossem ocos."

Exemplos:

a) Um anel de aço, ao se dilatar, comporta-se como um disco de aço.
b)
Um furo em uma chapa de ferro se dilata, quando aquecido, como se fosse feito de ferro.
c)
Um cubo oco de cobre se dilata, quando aquecido, como se fosse sólido.

DILATAÇÃO APARENTE DOS LÍQUIDOS

"Na maioria das vezes os líquidos se dilatam muito mais do que os recipientes que os contém." Como conseqüência, se em uma certa temperatura o recipiente estiver completamente cheio, ao aquecermos o conjunto haverá um derramamento de parte do líquido contido no recipiente. Ao volume de líquido derramado damos o nome de

DILATAÇÃO APARENTE DO LÍQUIDO

Toda matéria, dependendo da temperatura, pode se apresentar em três estados: sólido, líquido e gasoso.

As possíveis mudanças de estado, quando uma substância recebe ou cede calor, estão esquematizadas na figura abaixo:

Dilatação Térmica

Quando, à pressão constante, uma substância recebe (absorve) calor sensível, sua temperatura aumenta: se o calor é latente, ocorre mudança de estado, mantendo-se a mesma temperatura.

O gráfico ilustra a variação da temperatura de uma substância em função do calor absorvido pela mesma.

Dilatação Térmica

Cada trecho do diagrama indica:

AB - somente sólido
BC - sólido em fusão + líquido
CD - líquido
DE - líquido em solução + vapor
EF - vapor
TF - temperatura de fusão
TE - temperatura de ebulição

IMPORTANTE:

1) O termo sublimação é usado para designar a mudança sólido para gasoso. Alguns autores classificam a passagem sólidoè gasoso como sublimação direta ou 1ª sublimação, e a passagem gasosoè sólido como sublimação inversa ou 2ª sublimação.

Na CNTP o melhor exemplo de sublimação é o da naftalina, que passa do estado sólido diretamente para o gasoso.

2) A mudança líquido é gasoso, que chamamos vaporização, deve ser subdividida em:

a) Evaporação: é um processo espontâneo e lento, que se verifica a uma temperatura qualquer e depende da área de contato. Na evaporação, quanto maior a área de contato mais rapidamente se processa a passagem do estado líquido para o gasoso.
b) Ebulição:
é um processo que se verifica a uma determinada temperatura (a pressão tem influência sobre a temperatura, veremos posteriormente). Logo é um processo forçado. É mais rápido que a evaporação.
c) Calefação:
ocorre quando uma massa de líquido cai sobre uma superfície aquecida a uma temperatura superior a temperatura de ebulição do líquido. A calefação é um processo quase instantâneo. Ao observarmos gotas d’água caírem sobre uma chapa bem quente, notamos que as gotas vaporizam rapidamente emitindo um chiado característico.

CALOR LATENTE

Calor latente de mudança de estado L é a quantidade de calor, por unidade de massa, que é necessário fornecer ou retirar de um dado corpo, a uma certa pressão, para que ocorra a mudança de estado, sem variação de temperatura.

Matematicamente:

Dilatação Térmica

Da definição de calor latente resulta sua unidade de medida: cal/g , J/g, KJ/kg, BTU/lb, etc.

A quantidade de calor envolvida na mudança de estado decorre da definição de calor latente.

Dilatação Térmica

IMPORTANTE:

À pressão constante, toda substância sofre mudança de estado a uma determinada temperatura.
À pressão constante, durante a mudança de estado a temperatura se mantém constante.
Nas mesmas condições, a quantidade de calor recebida (absorvida) ou cedida (liberada) por uma dada substância, durante a mudança de estado, é, em valor absoluto, igual para a unidade de sua massa.

Exemplo:

Calor latente de fusão do gelo: LF = 80cal/g
Calor latente de solidificação da água:
LS = - 80 cal/g
O sinal (+) refere-se à quantidade de calor recebida (absorvida) pela substância, e o sinal (-) à quantidade de calor cedida (liberada) pela mesma.

INFLUÊNCIA DA PRESSÃO

A pressão influi sobre as temperaturas em que ocorrem as mudanças de estado físico.

INFLUÊNCIA NA FUSÃO

Quase todas as substâncias, ao fundirem, aumentam de volume. No entanto existem algumas exceções, como a água, a prata, o antimônio, o bismuto, que diminuem de volume ao fundirem.

A pressão influencia a temperatura de fusão desses dois grupos de maneira distinta, vejamos.

Dilatação Térmica
Substâncias que aumentam de volume na fusão

Dilatação Térmica
Substâncias que diminuem de volume na fusão

Tudo o que foi dito sobre a temperatura de fusão também é válido para a temperatura de solidificação.

INFLUÊNCIA NA EBULIÇÃO

A influência da pressão sobre a ebulição é muito mais simples que sobre a fusão, pois a regra agora é única:

Dilatação Térmica

Fonte: www.britannica.com/www.innovateus.net/br.geocities.com /www.fisica.net

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