Dilatação de Sólidos e Líquidos



DILATAÇÃO DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS

 
 
Em geral, os objetos dilatam-se ao receber energia, na forma de calor, e con­traem-se ao cedê-la. Devido a isso:
- os trilhos da estrada de ferro são fixados deixando-se um espaço entre eles;
- em prédios, casas e mesmo pisos, estruturas que envolvem concreto (contém cimento e ferro) os blocos são separados por espaços ou por material deformável
- estruturas de pontes também é previsto separação por espaços vazios ou por material deformável
portanto, nos casos que envolvem materiais passíveis de dilatação com a varia­ção de temperatura (calor) é necessário prever “espaços” para “abrigar”
a extensão da dilatação (relativa aos materiais que compõem a estrutura), sem a perda da característica ou função da estrutura (trilhos; pontes; paredes com es­truturas metálicas e/ou concreto; pisos; etc...)
Exemplos (pode servir na aula como contextualização):
 
1- quando você coloca água quente num copo de vidro comum, ele pode trincar ou até quebrar. Por que? Porque a parte que recebe primeiro o calor da água quente dilata-se antes das outras do vidro que compõem o copo. Sem saber o porquê disso, algumas pessoas colocam uma colher de metal no copo, derramam a água quente sôbre a colher e conseguem diminuir o impacto do aquecimento numa determinada região do copo. O metal tem condutividade térmica maior que o vidro e, além disso, parte da colher está para fora do lí­quido quente, portanto, propiciando uma maior dissipação de calor. O conceito de condutividade foi dado no Módulo I ( um dos experimentos foi : diferentes materiais com uma bolinha presa com cola sensível ao calor e parte das hastes imersas em água sob aquecimento).
2- a dilatação de um material depende das substâncias que o compõem. A diferença de dilatação entre as substâncias possibilita:
- tipos de vidro serem submetidos a temperaturas altas, p.ex. o forno numa residência . Vidro Pirex
- desatarraxar a tampa metálica de um pote de vidro (ex. alimento palmito), mergulhando-a em água quente.. Neste caso ambos os materiais se dilatam (a “boca” do vidro e a tampa de metal). Mas, como são materiais dife­rentes, a tampa metálica apresenta dilatação maior e solta-se com facilidade.
- o mercúrio subir no interior de um termômetro aquecido. O vidro também dilata, mas bem menos que o mercúrio, em consequência disso ele sobe
 
Dilatação Superficial - Dilatação Cúbica :
Considere um sólido em forma de um paralelepípedo retangular, constitu­ído por material homogêneo. Admita que a temperatura do corpo seja uniforme ( tem a mesma temperatura em todos os pontos do corpo).
Variando a temperatura, as arestas sofrem dilatação linear, portanto as faces sofrem dilatação superficial. O sólido como um todo sofre dilatação cúbi­ca ou volumétrica
A dilatação volumétrica de um objeto depende de três fatores - do mate­rial de que é feito o objeto (do coeficiente de dilatação volumétrica); do volume do objeto antes de ser aquecido e da variação de temperatura que o objeto é submetido. A multiplicação desses três fatores determina a variação do volume do objeto.

Tabela do Coeficiente de dilatação  
volumétrica (g) de alguns materiais
 
 

 

 
 
SUBSTANCIA
 
 
g (em 0C-1 )
 
 
Aço
 
 
3,3 x 10-5
 
Álcool
 
 
100,0 x 10-5
 
Alumínio
 
 
7,2 x 10-5
 
Chumbo
 
 
8,7 x 10-5
 
Cobre
 
 
5,1 x 10-5
 
Ferro
 
 
3,6 x 10-5
 
Latão
 
 
5,7 x 10-5
 
Mercúrio
 
 
18,2 x 10-5
 
Ouro
 
 
4,2 x 10-5
 
Prata
 
 
5,4 x 10-5
 
Vidro comum
 
 
2,7 x 10-5
 
Vidro pirex
 
 
0,9 x 10-5
 
Zinco
 
 
19,2 x 10-5

 

 
 
Ex. Suponha que tenha sofrido uma variação de temperatura de 10C, 1 cm3 de
zinco, portanto vai se dilatar 19,2 x 10-5 cm3 ou 0,000 192 cm3
vidro comum,portanto vai se dilatar 2,7 x 10-5 cm3 ou 0,000 027 cm3
 
Dilatação linear e superficial:
 
Considerando-se um objeto comprido, p.ex. uma barra longa ou um fio longo, submetido a uma variaçao de temperatura, observar-se-á um aumento ou uma dilatação de seu comprimento pois será desprezível o aumento de sua área transversal. O mesmo se observa no caso de ser uma chapa fina (pequena espessura), ou seja, é desprezível o aumento da espessura em relação à dilatação da área. No caso da chapa ocorre um aumento de sua área devido à dilatação superficial ou da área.
Para a medição precisa da dilatação térmica linear é necessário a utiliza­ção de processos mais aprimorados: Processo do comparador e Processo de Laplace
Nesse caso, o coeficiente de dilatação depende da natureza do material, da tempera­tura e das condições físicas (pressão, modo de cristalização, tratamento térmico ou mecânico). Ele não depende do comprimento do corpo de prova
 
Tabela dos Coeficientes de Dilatação Linear (a)
 

 

 
MATERIAL
 
 
a (0C) 
 
MATERIAL
a (0C) -1
Quartzo fundido
0,40 x 10-6
Cobre
17,00 x 10-6
Quartzo
     0,50 x 10-6
Latão
18,00 x 10-6
Invar
2,00 x 10-6
Estanho
20,00 x 10-6
Pirex
3,20 x 10-6
Alumínio
24,00 x 10-6
Tungstênio
4,50 x 10-6
Chumbo
27,00 x 10-6
Vidro
9,00 x 10-6
Zinco
51,00 x 10-6
Platina
9,00 x 10-6
Gelo(-10 a 00C)
51,00 x 10-6
Ferro
12,00 x 10-6
Ebonite
80,00 x 10-6
Níquel
13,00 x 10-6
 


 

 
 Contextualizar:
 
1- Por que, numa região muito fria, os lagos só congelam na superfície?
 
Em geral a redução da temperatura de um objeto provoca diminuição de seu volume. A água é uma exceção de 40C até 00C aumenta de volume, portanto sua densidade é máxima à temperatura de 4,00C. (lembrar que isso já foi discu­tido no Módulo I, ex. cerveja estoura no freezer).
Numa região de inverno rigoroso (atinge temperaturas abaixo de 00C), a massa de água de um lago ou rio ou mar (na costa), sofre um contínuo processo de resfriamento e as correntes de convecção geradas (esse conceito foi dado no Módulo I) atuam na uniformização desse resfriamento, fazendo com que a porção de água mais fria (à 40C ela é mais densa) desça e a mais quente suba. Quando a varia­ção da temperatura (massa de água da superfície) for de 40C até 00C, a água começa a se dilatar e as correntes de convecção praticamente cessam. Por que? A água abaixo de 40C mantém-se na superfície (menos densa) e acaba conge­lando. Forma-se assim uma camada de gelo na superfície, e o aumento de sua espessura se dá de cima para baixo. A camada de gelo (menos densa que a água) acaba atuando como isolante térmico, protegendo a flora e a fauna que existem no interior do lago.
 
Como interpretar a dilatação através do modelo molecular?
 
A dilatação de água ao se solidificar está em contradição com o modelo cinético-molecular?
 
Por que os fios (cobre) entre dois postes não são deixados esticados num país como o nosso(quente)?
 
Por que os encanamentos que conduzem água para as casas de países com clima frio são colocados em profundidade muito maior que os no nosso país?

Imagine a hipótese: “A água sofre redução de volume e não uma dilata­ção quando a temperatura varia de 40C até 00C. Tente explicar o que acontece­ria num lago de um país com um inverno rigoroso.”
 
 
Bibliografia
 
-”Termologia” T.N.O.FOLMER-JOHNSON, L.Nobel S.A., 1965,p.56-71
- “Física e Realidade” A.GONÇALVES e C.TOSCANO, 1997,p.84
- Enciclopédia Britânica
 
 
 
 

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