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Dilatação

Praticamente todas as substâncias, sejam sólidas, líquidas ou gasosas, dilatam-se com o aumento da temperatura e contraem-se quando sua temperatura é diminuída e o efeito da variação de temperatura, especialmente a dilatação, tem muitas implicações na vida diária.

Você já deve ter notado um espaçamento nos blocos de concreto das ruas e avenidas, bem como nos trilhos do trem ou em algumas pontes. Esse espaçamento é necessário justamente por causa da dilatação que os materiais sofrem. Por exemplo, uma ponte metálica de 300m de comprimento pode aumentar até 20cm.

Também em casa, aplicamos o efeito do aumento da temperatura, por exemplo, para abrirmos tampas de vidros de conserva, aquecendo-os de alguma forma.

O controle da temperatura feito através de termostatos com lâminas bimetálicas, utilizadas no ferro elétrico e em termopares que são os dispositivos que constam em automóveis e outros tipos de termômetros, ocorre com base na dilatação de certos materiais.

Todos os corpos se dilatam da mesma maneira?

A dilatação é proporcional ao aumento de temperatura, mas não é a mesma para diferentes materiais, ou seja, mesmo para uma mesma variação de temperatura, a dilatação dos corpos não será a mesma para diferentes materiais, pois cada um tem um coeficiente de dilatação característico.

Devido ao aumento de volume que é diferente para cada material, não se recomenda encher completamente o tanque de combustível dos automóveis, pois a gasolina derramaria, aproximadamente, dois litros se houvesse uma variação de 30oC na temperatura.

As tampas de recipientes de vidro, como as conservas, aumentam de dimensões mais do que o vidro, por isso soltam-se mais facilmente quando aquecidas.

Além disso, a dilatação depende de como é feito o corpo. Um prato de vidro grosso, por exemplo, estala e pode se quebrar quando colocamos água muito quente, pois as paredes internas se dilatam antes das externas, mas pratos de vidro mais finos não se rompem tão facilmente, pois se aquecem de modo mais uniforme, por isso, os pratos feitos para uso doméstico são de vidros especiais como o pirex que resistem a grandes variações de temperatura.

A dilatação de um corpo ocorre em todas suas dimensões.

Nos corpos sólidos a dilatação pode ser:

Linear

Superficial

Volumétrica

DILATAÇÃO LINEAR

Ocorre quando o corpo tem expansão em uma dimensão.

Por exemplo, os fios de telefone ou luz. Expostos ao Sol nos dias quentes do verão, variam suas temperaturas consideravelmente, fazendo com que o fio se estenda causando um envergamento maior, pois aumenta seu comprimento que passa de um comprimento inicial (Li) a um comprimento final (Lf). A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza a "chapinha" para alisá-lo.

Dilatação

Dizemos que a dilatação provocou um aumento no comprimento dado por:

Dilatação

A dilatação do fio depende de três fatores:

Da substância de que é feito o fio

Da variação de temperatura sofrida pelo fio

E do comprimento inicial do fio.

O comportamento aqui descrito para um fio é geral para qualquer corpo que tenha uma de suas dimensões muito maior do que as outras duas e, nesse caso, podemos nos concentrar na dilatação linear e calcular a variação no comprimento do corpo pela expressão:

Dilatação

onde:

Dilatação é variação de comprimento do fio, ou seja, é a dilatação linear

Dilatação é o coeficiente de dilatação linear, que é uma característica da substância

Dilatação é o comprimento inicial

Dilatação é a variação de temperatura, ou seja, Dilatação, onde Ti representa a temperatura inicial do fio e Tf a temperatura final.

Na tabela podemos verificar o valor do coeficiente de dilatação linear de algumas substâncias:

substância
coeficiente de dilatação linear (oC-1)
aço
11x10-6
água
69x10-6
álcool
333,67x10-6
cobre
16,8x10-6
ferro
11,4x10-6
madeira
30x10-6
mercúrio
60,67x10-6
ouro
14,3x10-6
prata
18,8x10-6
vidro comum
9x10-6
vidro pirex
3,2x10-6

Pela tabela podemos verificar o valor de alguns coeficientes de dilatação para alguns materiais e compará-los. Observamos que o valor do coeficiente para o vidro pirex é, aproximadamente, três vezes menor do que o vidro comum por isso ele suporta maiores variações de temperatura e não trinca tão facilmente como o vidro comum.

O álcool tem um coeficiente de dilatação muito maior do que o mercúrio e ambos são utilizados na fabricação de termômetros.

Na simulação, podemos observar o fenômeno da dilatação linear em um fio: quando há aumento de temperatura, há um aumento na extensão do fio.

 

DILATAÇÃO SUPERFICIAL

Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa. Neste caso, a expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo.

Na figura abaixo vemos uma chapa retangular que, quando aquecida, teve toda a sua superfície aumentada, passando de uma área inicial (Si) a uma área final (Sf), de modo que a dilatação superficial é (Dilatação, sendo Dilatação.

Dilatação

A dilatação superficial, da mesma forma que a dilatação linear, depende:

Da variação de temperatura sofrida pelo corpo Dilatação

Da área inicial (Si) e

Do material de que é feito o corpo, porém, o coeficiente utilizado é o "coeficiente de dilatação superficial" Dilatação que vale duas vezes o coeficiente de dilatação linear, isto é: Dilatação

Assim, podemos calcular a dilatação ocorrida na superfície pela seguinte expressão matemática:

Dilatação

Onde:

Dilatação é a dilatação superficial ou o quanto a superfície variou

Dilatação é o coeficiente de dilatação superficial

Si é a área inicial

Dilatação é a variação de temperatura.

A dilatação superficial é utilizada na colocação de aros metálicos ao redor das rodas de carroças. Neste caso, o aro tem diâmetro menor que o da roda por isso é aquecido para que se possa colocá-lo e ao esfriar, se contrai, prendendo-se fortemente à roda de madeira.

Dilatação

Podemos ver uma simulação onde ocorre o fenômeno da dilatação superficial em uma chapa: quando há aumento de temperatura, há um aumento nas dimensões do corpo.

O controle de temperatura do ferro elétrico é feito por um termostato constituído por uma lâmina bimetálica que se dilata e se curva, formando um arco, quando aquecida, interrompendo o circuito elétrico. Quando fria, a lâmina permanece plana e torna a fazer o contato no circuito elétrico.

Veja na simulação a seguir:

 

DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

A grande maioria dos corpos sólidos possui três dimensões: altura, comprimento e espessura; e, quando aquecidos, sofrem expansão nessas três dimensões o que proporciona um aumento no volume total do corpo.

A dilatação ocorre de modo semelhante às dilatações linear e superficial, porém dependente do coeficiente de dilatação volumétrica o que é igual a três vezes o coeficiente de dilatação linear, ou seja, Dilatação.

Dilatação

Então, podemos calcular a dilatação ocorrida no volume pela equação abaixo:

Dilatação

onde:

Dilatação é a dilatação volumétrica, ou seja, V=Vf - Vi

Dilatação é o coeficiente de dilatação volumétrica

Vi é o volume inicial

Dilatação é a variação de temperatura.

A dilatação dos líquidos e gases ocorre da mesma forma que com os corpos sólidos?

Não podemos verificar a dilatação de um líquido sem colocá-lo em um recipiente e, portanto, quando o líquido é aquecido, haverá também a dilatação volumétrica do recipiente, logo, o que observamos e podemos medir é a dilatação aparente do líquido. Para sabermos sua dilatação real, precisamos descontar a dilatação do recipiente, e para isso, precisamos conhecer os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e do recipiente.

Por exemplo, os reservatórios de combustível são preparados prevendo o aumento do volume tanto do recipiente quanto do combustível.

Há termômetros que utilizam a dilatação dos líquidos como mercúrio e/ou álcool, para a determinação da temperatura dos corpos.

Os balonistas aplicam a dilatação dos gases para encher seus balões, pois, com o aumento da temperatura, o ar, dentro do balão, fica menos denso e se dilata fazendo com que o balão estufe.

E se a temperatura for reduzida ao invés de ser aumentada?

Se a temperatura de um corpo é reduzida, normalmente, provoca uma diminuição do seu volume, entretanto, há exceções.

A água é a mais comum delas: de 4ºC a 0ºC sofre um aumento de volume. Tal comportamento da água é conhecido como "dilatação anômala".

Esse fenômeno pode ser constatato em regiões com temperaturas muito baixas, durante o inverno. A água da superfície de um lago, em contato com o ar frio, aumenta de volume e congela, e o gelo funciona como um isolante térmico, não deixando que toda água do lago congele.

Na parte inferior do lago, a água líquida, mais densa que a água sólida da parte superior, está a 4ºC. É por isso que ursos polares e esquimós conseguem pescar, mesmo no gelo, pois fazem buracos na superfície até alcançar a água líquida.

Por que os corpos se dilatam?

Se a temperatura de um corpo aumenta, conseqüentemente, aumenta a velocidade de seus átomos e moléculas, que passam, então, a se movimentar rapidamente, ocorrendo um aumento no afastamento médio entre os átomos, o que causa um aumento nas dimensões do corpo, ou seja, de seu volume, e isto é o que se chama dilatação.

Fonte: www.if.ufrgs.br

Dilatação

Oque é dilatação?  

Em termos físicos, dizemos que a temperatura de um corpo (ou objeto) é uma medida da agitação dos átomos e moléculas que o constituem. Sendo assim, podemos dizer que quanto maior for a temperatura de um corpo, maior será a agitação de seus átomos ou moléculas. O aumento da temperatura de um corpo não provoca somente o aumento da agitação de átomos e moléculas, mas provoca também outros efeitos no corpo.

Dessa forma, todos os corpos que estão na natureza são passíveis de sofrer algum efeito por conta do aumento de sua temperatura. Em alguns corpos, esses efeitos podem ser visíveis, já em outros, não. Quando há aumento de temperatura de um objeto, ele sofre também aumento em suas dimensões, portanto, os objetos dilatam-se.

Definimos a dilatação como sendo a variação nas dimensões de um objeto devido à variação da temperatura. Portanto, podemos dizer que a dilatação é uma manifestação macroscópica da variação da energia cinética das moléculas e átomos.

Quase todos os materiais existentes na natureza sofrem aumento em seu volume quando há elevação de sua temperatura, em consequência disso, a densidade desses objetos diminui. Pode-se dizer que essa regra é válida para quase todas as substâncias. Uma exceção é a água que apresenta comportamento diferente quando sua temperatura varia de 0ºC a 4ºC. Esse fenômeno é conhecido como estado anômalo da água.

Tipos de Dilatação 

Dilatação Térmica: Quando uma pessoa está com febre, sua temperatura corporal é mais elevada do que o normal. Isso pode ser comprovado com o auxílio do termômetro clínico. Após retirarmos o termômetro do enfermo, constatamos que o filete de mercúrio se dilatou dentro do cubo. Isso porque as dimensões dos corpos sofrem dilatação quando estes são aquecidos, e contração quando resfriados. Muitas vezes, a dilatação só pode ser comprovada por meio de instrumentos. Mas ela pode também ser entendida pelo movimento das moléculas. Assim quando um corpo é aquecido, suas moléculas vibram mais intensamente. Por isso, elas necessitam de maior espaço. É o que acontece quando muitas pessoas dançam num salão. Se a dança exigir passos mais amplos, será necessário maior espaço para executá-los. Todos os corpos (sólidos, líquidos ou gasosos) estão sujeitos à dilatação térmica. Vamos estudá-la então em cada um desses tipos de corpos.

Dilatação dos sólidos: Os sólidos que melhor se dilatam são os metais, principalmente o alumínio e o cobre. Temos um bom exemplo disso num vidro de conserva com a tampa metálica emperrada. Para abri-lo, basta mergulhar a tampa na água quente; como o metal se dilata mais que o vidro, a tampa logo fica frouxa. O aquecimento leva os sólidos a se dilatarem em todas as direções; no entanto, às vezes, a dilatação predomina, ou é mais notada, numa direção – é a dilatação linear. Quando duas direções são predominantes, temos a dilatação superficial e, quando ela é importante em todas as direções, considera-se a dilatação volumétrica.

Dilatação Linear — Essa dilatação corresponde ao aumento do comprimento dos corpos quando aquecidos. Se você puder observar uma ferrovia antiga vai notar que, ao longo do mesmo trilho, há um pequeno intervalo, de espaços a espaços (fotos A e B). Isso é necessário para evitar que a dilatação térmica deformasse os trilhos. Nas ferrovias mais modernas, assim como nos trilhos dos metrôs das grandes cidades, não existe esse intervalo, pois atualmente são utilizadas técnicas de engenharia capazes de impedir que os efeitos dessa dilatação se manifestem. Uma delas é a fixação rígida dos trilhos no solo, utilizando-se dormentes de concreto.

Dilatação

Dilatação

Os trilhos da estrada de ferro (foto B) entortaram porque o intervalo entre eles (foto A) não foi suficiente para compensar a dilatação.

Dilatação
Modelo antigo de pirômetro de quadrante

Dilatação Superficial — Refere-se à área do sólido dilatado, como, por exemplo, sua largura e seu comprimento. Uma experiência bem simples pode comprovar a dilatação superficial dos sólidos, como mostra a figura abaixo.

Dilatação

Dilatação Superficial: a moeda aquecida não passa pelo aro, pois sua superfície aumentou.

Dilatação Volumétrica — Refere-se ao aumento do volume do sólido, isto é, de seu comprimento, de sua altura e largura. O instrumento usado para comprovar a dilatação volumétrica de um corpo é chamado de anel de Gravezande (figura abaixo).

Dilatação

Dilatação Volumétrica: o volume da esfera aumenta com o aquecimento.

Dilatação dos líquidos: Assim como os sólidos, os líquidos também sofrem dilatação com a variação de temperatura. Como os líquidos não têm forma própria, só se leva em consideração a dilatação volumétrica. Em geral, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos e diminuem quando esfriados.

Mas, com a água, o processo de dilatação é um pouco diferente. Ao ser esfriada, ela diminui de volume como os outros líquidos, mas só até 4 °C. Se a temperatura continuar caindo, para baixo de 4°C, o volume da água começa a aumentar. Inversamente, se for aquecida de 0°C a 4°C, a água diminui de volume, mas, a partir de 4°C, ela começa a se dilatar.

É por essa razão que uma garrafa cheia de água e fechada estoura no congelador: de 4°C até 0°C, a água tem seu volume aumentado, enquanto a garrafa de vidro ou plástico diminui de volume.

Dilatação dos gases:  A dilatação dos gases, que é mais acentuada que a dos líquidos, pode ser comprovada por uma experiência bem simples.

Num balão de vidro, com ar em seu interior, introduz-se um canudo dentro do qual há uma gota de óleo (figura abaixo).

Dilatação

Segurando o balão de vidro como indicado na figura, o calor fornecido pelas mãos é suficiente para aumentar o volume de ar e deslocar a gota de óleo.

Fonte: fisica2anoassuntos.blogspot.com.br

Dilatação

Dilatação térmica dos sólidos e líquidos

Dilatação térmica é o fenômeno pelo qual um corpo sofre uma variação nas suas dimensões, quando sujeito a umavariação de temperatura.

Todos os corpos existentes na natureza, sólidos, líquidos ou gasosos, quando em processo de aquecimento ou resfriamento, ficam sujeitos à dilatação ou contração térmica. O processo de contração e dilatação dos corpos ocorre em virtude do aumento ou diminuição do grau de agitação das moléculas que constituem os corpos. Ao aquecer um corpo, por exemplo, devido ao aumento do grau de agitação, as moléculas mais agitadastendem a se afastar levando a um aumento na distância entre elas . Esse espaçamento maior entre elas se manifesta através do aumentodas dimensões do corpo.O contrário ocorre quando os corpos são resfriados. Ao acontecer isso as distâncias entre as moléculas são diminuídas e em conseqüência disso há diminuição nas dimensões do corpo.

A dilatação térmica é algo muito comum no nosso dia a dia, pois os objetos são constantemente submetidos a variações de temperatura. Na engenharia, esse fenômeno deve ser considerado na construção de algumas edificações, como por exemplo, na construção de pontes e viadutos. Pode-se perceber ainda, que é devido aos efeitos dadilatação, que se deixam espaços entre os trilhos de trem em uma estrada de ferro. Estes espaços são para que não ocorra deformação da mesma devido a variação de temperatura. Nas quadras de futebol, em pontes e viadutos existem pequenas fendas de dilatação que possibilitam a expansão da estrutura sem que ocorram possíveis trincas e danos na estrutura.

Essas construções costumam ser feitas em partes e, entre essas partes, existe uma pequena folga para que, nos dias quentes, ocorra a dilatação sem nenhuma resistência. Do contrário, teríamos algum comprometimento da estrutura. Quando você tenta abrir um vidro de picles e ele está muito apertado você coloca a tampa na água quente que ela vai se dilatar mais que o vidro e vai abrir,quando você liga o carro numa manha fria ele faz ruídos estranhos até o metal, de que é feito, de dilatar possibilitando um espaço maior para as peças e a fuselagem do veículo. Até as fendas das calçadas (o espaço entre uma placae outra) se você perceber se dilatam em dias de verão.

O estudo da dilatação dos sólidos possui importantes aplicações práticas, como a compensação da dilatação dos pêndulos, a dilatação dos trilhos e das pontes (e o conseqüente cálculo da separação entre os segmentos) ou o fabrico da vidraria de laboratório resistente ao calor.

Chama-se dilatação todo acréscimo às dimensões de um corpo por influência do calor que lhe é transmitido. O fenômeno é explicado pela variação das distâncias relativas entre as moléculas, associada ao aumento de temperatura. Normalmente, são estudadas em separado a dilatação dos sólidos, a dos líquidos e a dos gases, distinguindo-se, no caso dos sólidos, a dilatação linear, a superficial e a volumétrica.

Os estudos teóricos partem do conceito de coeficiente de dilatação, definido como o aumento de volume, área ou comprimento experimentado pela unidade de volume (área ou comprimento) quando a temperatura varia de 1o C. Ao denominar-se o coeficiente, se a temperatura varia de tO C, o aumento será; se o volume inicial era vo, o aumento total será, de forma que o volume v após a dilatação pode ser escrito como.

De modo geral, os sólidos se dilatam menos do que os líquidos e estes menos do que os gases. Uma barra de ferro com um metro de comprimento a 0o C dilata-se apenas 1,2mm se a temperatura aumenta para 100o C (seu coeficiente de dilatação linear é, portanto, 1,2 x 10-5). Caso se deseje alongar a mesma barra por meio de uma força de tração, para idêntico acréscimo de comprimento seria necessário aplicar-lhe uma força de 2.400kg por unidade de área. Pode-se introduzir um conceito um pouco mais rigoroso de coeficiente de dilatação.

Chamando de, respectivamente, os coeficientes linear, superficial e volumétrico, ter-se-ia:

Um fio de aço apresenta curiosa anormalidade de dilatação, pois quando a temperatura atinge cerca de 700o C o fio experimenta uma contração para voltar a dilatar-se pouco depois. O fenômeno, reversível, denomina-se recalescência. As ligas de aço-níquel dilatam-se muito pouco e o coeficiente de dilatação varia com a maior ou menor percentagem de níquel nelas contida. O menor valor de corresponde a 36% de níquel, sendo a liga denominada invar; para 46% de níquel, esse coeficiente torna-se igual a 0,9 x 10-5, valor igual ao da platina e ao do vidro comum, sendo a liga denominada platinite.

Alguns corpos como a borracha e a argila contraem-se quando a temperatura se eleva. Esses corpos se aquecem quando são alongados por uma força de tração, ao contrário dos demais, que têm sua temperatura reduzida. A água dilata-se irregularmente. Um volume de água aquecido a partir de 0o C se contrai até 4o C; aí começa a dilatar-se. A água a 4o C possui, portanto, sua maior densidade, sendo tomada como unidade. Por isso as camadas profundas de mares e lagos estão à temperatura constante de 4º C.

Dilatação Térmica

Um dos efeitos da temperatura, é provocar a variação das dimensões de um corpo.

Pois se aumentarmos a temperatura de um corpo, aumenta a agitação das partículas de seu corpo e conseqüentemente, as partículas se afastam  uma das outras, provocando um aumento das dimensões (comprimento, área e volume) do corpo.

A esse aumento das dimensões do corpo dá-se o nome de dilatação térmica.

Dilatação dos Líquidos

Assim como os sólidos, os líquidos também sofrem dilatação com a variação de temperatura. Como os líquidos não têm forma própria, só se leva em consideração a dilatação volumétrica. Em geral, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos e diminuem quando esfriados.

Mas, com a água, o processo de dilatação é um pouco diferente. Ao ser esfriada, ela diminui de volume como os outros líquidos, mas só até 4 °C. Se a temperatura continuar caindo, para baixo de 4°C, o volume da água começa a aumentar. Inversamente, se for aquecida de 0°C a 4°C, a água diminui de volume, mas, a partir de 4°C, ela começa a se dilatar.

É por essa razão que uma garrafa cheia de água e fechada estoura no congelador: de 4°C até 0°C, a água tem seu volume aumentado, enquanto a garrafa de vidro ou plástico diminui de volume.

Dilatação dos Gases

A dilatação dos gases, que é mais acentuada que a dos líquidos, pode ser comprovada por uma experiência bem simples.

Dilatação Linear  

Dilatação linear é aquela em que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento. (Ex: dilatação em cabos, barras, etc....)

Dilatação Superficial e Volumétrica

Verifica-se experimentalmente que a dilatação superficial e a dilatação volumétrica dos sólidos são inteiramente semelhante à dilatação linear.

Fonte: vivianedorneles.files.wordpress.com

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