Dilatação térmica: a relação entre dimensões e temperatura.

Saiba o que é dilatação térmica

Ao expor um material a uma alta temperatura, as moléculas presentes nele tendem a se agitarem, fazendo com que elas se afastem uma das outras. Isso resulta na dilatação térmica do material. No geral, com algumas exceções, todas as formas da matéria (sólido, líquido e gasoso) dilatam com o aumento da temperatura e contraem com a diminuição da mesma.

Na maior parte dos casos, principalmente os sólidos, essa variação de tamanho por conta do aumento da temperatura não é notado. Mas, para se ter uma ideia, todas as construções são planejadas para suportar a dilatação térmica dos materiais. Se você já passou por um viaduto, deve de ter notado que a pista é composta por juntas de expansão, que são pequenas fendas formadas por um encaixe de metal. Isso é preciso, pois no verão, quando o concreto esquenta muito, ele se dilata. Se não existissem essas fendas, o concreto, ao se dilatar, iria causar rachaduras no viaduto.

Outro exemplo de dilatação térmica do dia a dia, são os potes de conserva com tampas de metal. Se houver dificuldade em abri-los, basta aquecer as tampas sob água quente que ficará mais fácil abri-las, já que o metal se dilata facilmente com o aumento da temperatura.

Mas saiba, que cada material possui um certo grau de dilatação. E é isso que veremos a seguir.

Coeficiente dilatação térmica

Imagine dois fios metálicos, um de zinco e outro de ferro, que são aquecidos a uma determinada temperatura. Apesar da dilatação térmica ocorrer nos dois, eles não vão se dilatar da mesma maneira. Isso porque cada material possui um coeficiente de dilatação térmica, que determina quanto ele pode dilatar com o aumento da temperatura.

Quanto maior for o coeficiente de dilatação térmica mais o material vai se dilatar.

Por exemplo, o zinco possui um coeficiente de dilatação linear de 27×10^-6 ºC^-1, já o coeficiente linear do ouro é de 14×10^-6 ºC^-1. Isso quer dizer que se os dois materiais forem expostos a uma temperatura de 50 ºC, o zinco vai dilatar mais que o ouro.

É importante saber que há 3 tipos de coeficientes:

  • Coeficiente de dilatação linear (α) – este coeficiente é para objetos que possuem apenas comprimento, como fios ou linhas.
  • Coeficiente de dilatação superficial (β) – este coeficiente é para objetos que possuem superfície, como chapas de metal.
  • Coeficiente de dilatação volumétrica (γ) – este coeficiente é para objetos que possuem volume, como esferas ou colunas.

A seguir vamos ver um pouco mais sobre como ocorre a dilatação em cada objeto, seja ele linear, superficial ou volumétrico. Assim, será possível ver o uso de cada coeficiente de dilatação.

Tipos de dilatação térmica

Para cada tipo de objeto é utilizado uma forma de calcular a dilatação térmica. Isso porque, em alguns é preciso considerar só do comprimento, outros da área e há, ainda, aqueles que é preciso considerar o volume total.

Sendo assim, confira os tipos de dilatação térmica:

Dilatação térmica linear

Fios de eletricidade, fios de arame e outros objetos que possuam uma forma de linha tem sua dilatação calculada utilizando o coeficiente linear. Estes tipos de objetos, com o aumento da temperatura, tendem a aumentar o comprimento, por isso é uma dilatação térmica linear.

A fórmula para calcular a dilatação é a seguinte:

ΔL = α . L0 . Δθ

Onde:

  • ΔL é a variação do comprimento (ΔL = L – L0);
  • α é o coeficiente de dilatação linear;
  • L0 é o comprimento inicial do objeto;
  • Δθ é a variação de temperatura (Δθ = θ – θ0).

Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), temos:

  • ΔL: metro (m);
  • α: grau celsius elevado na menos um (ºC^-1);
  • L0: metro (m);
  • Δθ: celsius (ºC).

Os valores do coeficiente de dilatação linear são constantes para cada tipo de material e sempre são informados nos exercícios.

Dilatação térmica superficial

Quando temos objetos como chapa de fogão, vidro de janela ou uma medalha, é preciso considerar a área do objeto e não apenas o comprimento. Isso porque, ao aquecer uma chapa, ela vai expandir tanto o comprimento como a largura. Por isso, aplica-se a fórmula da dilatação térmica superficial:

ΔA = β . A0 . Δθ

Onde:

  • ΔA é variação da área (ΔA = A – A0);
  • β é o coeficiente de dilatação superficial (β = 2α);
  • A0 é a área inicial;
  • Δθ é a variação de temperatura.

Segundo o SI, temos:

  • ΔA: metro ao quadrado (m²);
  • β: grau celsius elevado na menos um (ºC^-1);
  • A0: metro ao quadrado (m²);
  • Δθ: celsius (ºC).

Dilatação térmica volumétrica

Quando falamos em cilindros, esferas ou vigas de sustentação, estamos trabalhando com objetos que possuem volume. Dessa forma, não podemos calcular a dilatação térmica volumétrica pelas duas últimas fórmulas apresentadas. Isso porque, ao aquecer um cubo, ele vai expandir todos os lados. Então, segue a fórmula da dilatação térmica volumétrica:

ΔV = γ . V0 . Δθ

Onde:

  • ΔV é variação do volume (ΔV = V – V0);
  • γ é o coeficiente de dilatação volumétrico (γ = 3α);
  • V0 é o volume inicial;
  • Δθ é a variação de temperatura.

Segundo o SI, temos:

  • ΔV: metro ao cubo (m³);
  • γ: grau celsius elevado na menos um (ºC^-1);
  • V0: metro ao cubo (m³);
  • Δθ: celsius (ºC).

Precisamos destacar que quando um corpo possui cavidades, como uma chapa com um furo no centro ou um anel, eles se dilatam como se estivem preenchidos com o mesmo material do corpo. Por exemplo, ao aquecer uma chapa de fogão a lenha, que possui dois furos, a chapa aumenta de tamanho e os furos também, fazendo com que eles fiquem maior.

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Além dos materiais citados, os líquidos também expandem com o aquecimento.

Dilatação térmica dos líquidos

Os líquidos, apesar de não possuírem forma própria, se comportam como os sólidos quando se dilatam. Porém, considera-se apenas a dilatação térmica volumétrica na hora de fazer o cálculo de quanto o líquido dilatou.

Mas, há um líquido que se comporta diferente de todos os outros materiais quando o assunto é dilatação térmica: a água.

Quando a água esquenta ela se dilata, porém ao diminuir a temperatura, a água possui o menor volume a 4 ºC. Abaixo dessa temperatura a água começa a expandir novamente. O mesmo não acontece a qualquer outro material, em que quanto menor é a temperatura, mais o material se contrai.

Isso explica, porque quando tiramos uma garrafa de água congelada do freezer, ela está mais estufada. Isso também explica o fenômeno que acontece em lagos congelados no inverno, em que a água da superfície congela e o fundo não. Quando a água do lago começa a esfriar e atinge a temperatura de 4 ºC, ela se contrai, tornando-se mais densa. Assim, ela afunda e a que ficou na superfície continua a esfriar, congelando quando chega a 0 ºC. Como a água é um mau condutor de calor, a água abaixo da superfície congelada se mantém a 4 ºC.

Experiência dilatação térmica

Vamos ver agora, uma experiência de dilatação térmica que pode ser feita em casa para observar esse fenômeno.

Materiais necessários:

  • 01 cadeado com chave;
  • 01 alicate com cabo de borracha;
  • 01 vela;
  • 01 isqueiro.

Procedimento:

Acenda a vela com o isqueiro e a coloque em algum suporte, pode utilizar um prato. Agora pegue a chave do cadeado e a prenda no alicate. Coloque a chave em contato com chama da vela e segure por alguns minutos. Retire a chave da chama da vela e tente colocá-la no cadeado para abri-lo.

Se a chave estiver quente o suficiente, ela terá expandido e, assim, ela não entrará no cadeado. Isso mostra que ela sofreu dilatação térmica.

Observação: manuseie a chave quente com cuidado e sempre segurando-a pelo alicate. Crianças, não façam essa experiência sozinhos, solicitem auxílio de um adulto.

Agora que você já sabe o que é dilatação térmica, aproveite para fixar o conteúdo com a lista de exercícios sobre dilatação térmica do Stoodi. Se ficou com alguma dúvida, é possível reforçar os conceitos por meio das nossas videoaulas sobre dilatação térmica. Confira também os nossos posts do blog sobre outros assuntos de Física.