A dilatação térmica, um fenômeno da física, descreve como os materiais reagem às mudanças de temperatura alterando suas dimensões. Essencialmente, quando um corpo é aquecido, suas partículas vibram mais intensamente, demandando mais espaço e resultando em expansão.
Este fenômeno não se restringe aos sólidos, se manifestando em líquidos e gases também, embora de maneiras distintas. Por outro lado, o resfriamento conduz à contração térmica, onde a menor agitação das partículas as aproxima, diminuindo o volume do material.
Veja a seguir esse artigo que o Estratégia Militares preparou para você, explicando tudo sobre a dilatação térmica!
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Dilatação térmica em sólidos: linear, superficial e volumétrica
A dilatação térmica em sólidos se manifesta de diferentes formas, dependendo de qual dimensão é mais afetada. Assim, temos três categorias principais:
- Linear;
- Superficial; e
- Volumétrica.
Cada uma dessas modalidades descreve um tipo específico de mudança dimensional que ocorre em resposta a variações de temperatura.
Dilatação linear: expansão em uma dimensão
A dilatação linear se refere à variação no comprimento de um corpo, como um fio ou uma barra. Este tipo de dilatação é predominante quando uma das dimensões do objeto é significativamente maior que as outras.
Por exemplo, em trilhos de trem, a dilatação linear é um fator importante a ser considerado durante a construção, para evitar deformações devido a variações de temperatura.
Para calcular a dilatação linear, usa-se a fórmula:
ΔL = L₀ . α . Δθ
Onde:
- ΔL é a variação do comprimento.
- L₀ é o comprimento inicial.
- α é o coeficiente de dilatação linear do material.
- Δθ é a variação de temperatura.
Vamos exemplificar: imagine um fio de metal com 10 metros de comprimento, que sofre um aumento de 50 °C na temperatura. Se o coeficiente de dilatação linear do metal for de 15 x 10⁻⁶ °C⁻¹, o cálculo da dilatação seria:
ΔL = 10 m * 15 x 10⁻⁶ °C⁻¹ * 50 °C = 0,0075 m
Isso significa que o fio aumentará seu comprimento em 0,0075 metros.
Dilatação superficial: a mudança na área
A dilatação superficial ocorre quando a área de um corpo, como uma chapa metálica, aumenta devido à elevação da temperatura. Este tipo de dilatação considera a expansão em duas dimensões.
Um exemplo prático é o de uma placa de metal que se expande quando aquecida, um fenômeno que engenheiros levam em conta em projetos de construção para evitar tensões estruturais.
Para calcular a dilatação superficial, usa-se a fórmula:
ΔA = A₀ . β . Δθ
Onde:
- ΔA é a variação da área.
- A₀ é a área inicial.
- β é o coeficiente de dilatação superficial (igual a 2α).
- Δθ é a variação de temperatura.
Um exemplo: considere uma placa de metal com área inicial de 2 m², aquecida em 40 °C. Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do metal é 12 x 10⁻⁶ °C⁻¹, o coeficiente de dilatação superficial (β) será 24 x 10⁻⁶ °C⁻¹. Calculando a variação da área:
ΔA = 2 m² * 24 x 10⁻⁶ °C⁻¹ * 40 °C = 0,00192 m²
Assim, a área da placa aumentará 0,00192 metros quadrados.
Dilatação volumétrica: expansão em três dimensões
A dilatação volumétrica envolve a variação no volume de um corpo, como um cubo de metal, causada por mudanças de temperatura. Este tipo de dilatação é relevante em objetos que possuem dimensões significativas em todas as três direções.
Uma aplicação prática é na indústria de recipientes para líquidos, onde a dilatação volumétrica precisa ser considerada para evitar vazamentos ou rupturas.
Para calcular a dilatação volumétrica, usa-se a fórmula:
ΔV = V₀ . γ . Δθ
Onde:
- ΔV é a variação do volume.
- V₀ é o volume inicial.
- γ é o coeficiente de dilatação volumétrica (igual a 3α).
- Δθ é a variação de temperatura.
Por exemplo, um bloco de concreto com volume inicial de 0,5 m³ sofre um aumento de temperatura de 60 °C. Se o coeficiente de dilatação linear do concreto é 12 x 10⁻⁶ °C⁻¹, o coeficiente de dilatação volumétrica (γ) será 36 x 10⁻⁶ °C⁻¹. Calculando a variação do volume:
ΔV = 0,5 m³ * 36 x 10⁻⁶ °C⁻¹ * 60 °C = 0,00108 m³
Logo, o volume do bloco de concreto aumenta 0,00108 metros cúbicos.
Coeficientes de dilatação linear: o que são e como afetam a dilatação
O coeficiente de dilatação linear (α) é uma propriedade intrínseca de cada material, indicando o quanto ele se expande ou se contrai por grau Celsius de mudança de temperatura.
Materiais como o alumínio, com um alto coeficiente de dilatação, expandem-se mais do que o aço, com um coeficiente menor, para a mesma variação de temperatura.
A tabela abaixo mostra alguns coeficientes de dilatação linear:
| Substância | Coeficiente de Dilatação Linear (°C⁻¹) |
|---|---|
| Porcelana | 3 x 10⁻⁶ |
| Vidro Comum | 8 x 10⁻⁶ |
| Platina | 9 x 10⁻⁶ |
| Aço | 11 x 10⁻⁶ |
| Concreto | 12 x 10⁻⁶ |
| Ferro | 12 x 10⁻⁶ |
| Ouro | 15 x 10⁻⁶ |
| Cobre | 17 x 10⁻⁶ |
| Prata | 19 x 10⁻⁶ |
| Alumínio | 22 x 10⁻⁶ |
| Zinco | 26 x 10⁻⁶ |
| Chumbo | 27 x 10⁻⁶ |
Dilatação térmica em líquidos
Os líquidos, assim como os sólidos, também sofrem dilatação térmica. No entanto, diferentemente dos sólidos, os líquidos não têm forma definida, adaptando-se ao formato do recipiente em que são colocados. Por essa razão, a dilatação em líquidos é sempre medida em termos de variação volumétrica.
Para calcular essa variação, é utilizada uma fórmula similar à da dilatação volumétrica em sólidos:
ΔV = V₀ . γ . Δθ
Onde:
- ΔV é a variação do volume.
- V₀ é o volume inicial.
- γ é o coeficiente de dilatação volumétrica do líquido.
- Δθ é a variação de temperatura.
A tabela a seguir apresenta os coeficientes de dilatação volumétrica de alguns líquidos:
| Líquido | Coeficiente de Dilatação Volumétrica (°C⁻¹) |
|---|---|
| Água | 1,3 x 10⁻⁴ |
| Mercúrio | 1,8 x 10⁻⁴ |
| Glicerina | 4,9 x 10⁻⁴ |
| Álcool | 11,2 x 10⁻⁴ |
| Acetona | 14,93 x 10⁻⁴ |
A dilatação térmica é um fenômeno que impacta nosso cotidiano e diversas áreas da ciência e da engenharia. Do projeto de pontes à fabricação de instrumentos de precisão, entender como os materiais se expandem e contraem com a temperatura é essencial para garantir a segurança e eficiência de diversas aplicações.
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