Dilatação

A dilatação é um fenômeno físico que acontece quando há a variação de temperatura nos corpos. Ela está presente desde os sólidos até nos fluidos. Apesar do fenômeno ser o mesmo, cada caso possui suas especificidades. Veja o que é, quais são os quatro tipos e muito mais sobre esse tema importante da termologia.

Publicidade

O que é dilatação

Esse fenômeno acontece quando há um aumento na temperatura de um determinado corpo. Isso resulta no aumento de suas dimensões. Esse fenômeno acontece porquel no momento da variação da temperatura, o comportamento das moléculas muda. No caso do aumento da energia térmica de um corpo, a agitação das moléculas aumenta e, consequentemente, aumenta a distância entre elas.

Além disso, quando há a diminuição da temperatura, analogamente, há a contração do corpo. Na natureza, todos os processos de aumento ou contração térmica acontecem de maneira tridimensional. Ou seja, esses processos são sempre volumétricos. Contudo, a fim de simplificação, costuma-se estudar casos com variações nos tamanhos em uma e duas dimensões, também.

Os 4 tipos de dilatação

Os 4 tipos de dilatação são: linear, superficial, volumétrica e dos líquidos. Os processos de variação das dimensões com a variação de temperatura, na natureza, ocorrem sempre em três dimensões. Porém, para facilitar os cálculos, por diversas vezes, considera-se a dilatação linear, a superficial e a volumétrica. Ou seja, as variações em uma, duas e três dimensões, respectivamente. Além disso, os líquidos também variam seu volume conforme a mudança de temperatura. Veja como isso acontece em cada um dos casos:

Dilatação linear

Quando apenas uma dimensão é considerada, deve-se levar em conta o comprimento inicial, a variação do comprimento, a variação de temperatura e o coeficiente de dilatação linear. Matematicamente, essa relação é:

Publicidade

Em que:

• ΔL: variação do comprimento (m)
• L₀: comprimento inicial (m)
• α: coeficiente de dilatação linear (°C^-1)
• ΔT: variação de temperatura (°C)

Nesse caso, as unidades de temperatura estão na escala Celsius. Contudo, a unidade oficial de temperatura, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o kelvin. É necessário atenção para as conversões necessárias de unidade de medida.

Dilatação superficial

Ao considerar uma superfície, é preciso levar em conta duas dimensões. Assim, as variações de tamanho dependerão da variação na área, a área inicial, o coeficiente de dilatação superficial e a variação de temperatura. Assim, de maneira analítica:

Publicidade

Em que:

• ΔA: variação da área (m²)
• A₀: área inicial (m²)
• β: coeficiente de dilatação superficial (°C^-1)
• ΔT: variação de temperatura (°C)

É possível obter o coeficiente de dilatação superficial a partir de sua componente linear. O coeficiente superficial equivale ao dobro do coeficiente linear. Ou seja, 2α = β.

Dilatação volumétrica

A dilatação volumétrica é usada nos casos em que deve-se considerar as três dimensões do corpo. De maneira análoga aos outros dois casos, esse tipo de dilatação depende da variação do volume, do volume inicial, do coeficiente de dilatação volumétrica e da variação de temperatura. Matematicamente:

Em que:

• ΔV: variação do volume(m³)
• V₀: volume inicial (m³)
• γ: coeficiente de dilatação volumétrica (°C^-1)
• ΔT: variação de temperatura (°C)

Assim como nos outros casos, é possível obter uma relação entre os coeficientes de dilatação. Nesse caso, 3α = γ e 3β/2 = γ.

Dilatação térmica dos líquidos

Apesar dos líquidos se comportarem em três dimensões e o seu volume ser levado em consideração. Existem algumas especificidades para a variação de volume nesses casos. Dessa forma, veja as fórmulas:

Em que:

• ΔV_ap: variação aparente da área (m³)
• V₀: área inicial (m³)
• γ_ap: coeficiente de dilatação volumétrica aparente(°C^-1)
• ΔT: variação de temperatura (°C)

Nesse caso, a variação de volume aparente corresponde ao volume do líquido que transborda do recipiente. Além disso, o coeficiente de dilatação aparente depende da variação de volume sofrida pelo frasco no qual o líquido estava contido. O qual possui a relação da variação de volume dada por:

Em que:

• ΔV_F: variação aparente do frasco(m³)
• V₀: área inicial (m³)
• γ: coeficiente de dilatação volumétrica aparente(°C^-1)
• ΔT: variação de temperatura (°C)

A variação de volume real é dada pela soma das duas variações de volume encontradas pelas fórmulas anteriores. Além disso, para alguns líquidos, a variação de volume é anômala em um intervalo de temperatura. Por exemplo, a água diminui de volume, ao ser aquecida de zero a quatro graus celsius.

Coeficiente de dilatação linear

Cada material reagirá à temperatura de uma maneira única. Ou seja, há uma característica intrínseca de cada material que mede essa interação do material com a variação de temperatura. Essa característica é o coeficiente de dilatação linear. Dessa forma, veja o valor dessa grandeza física para sete materiais distintos:

• Aço: 11 x 10 ^-6°C^-1
• Alumínio: 22 x 10 ^-6°C^-1
• Chumbo: 27 x 10 ^-6°C^-1
• Cobre: 17 x 10 ^-6°C^-1
• Ferro: 12 x 10 ^-6°C^-1
• Ouro: 15 x 10 ^-6°C^-1
• Platina: 9 x 10 ^-6°C^-1

Esses valores variam conforme a pureza do material. Além disso, as pessoas que trabalham com engenharia levam esses valores em consideração na hora de construir um novo aparelho. Por exemplo, em pontes, calçadas ou trilhos de trem, há pequenos espaços vazios chamados de juntas de dilatação. Eles são colocados para que os materiais possam se dilatar e se contrair sem que haja prejuízo para a estrutura.

Vídeos sobre dilatação

O conteúdo da variação de tamanho dos materiais é um dos mais importantes da termologia. Por isso, é importante conhecê-lo a fundo para expandir seu conhecimento. Veja os vídeos selecionados sobre esse tema:

O anel de Gravesande

Os professores Cláudio Furukawa e Gil Marques fazem um experimento que mostra como o volume de um objeto pode variar conforme a temperatura. Para isso, os docentes fazem o experimento do anel de Gravesande. Com isso é possível observar que a esfera, depois de aquecida, não passa pelo anel.

Dilatação térmica nos sólidos

O professor Marcelo Boaro explica como acontece a dilatação térmica nos sólidos. Para isso, Boaro explica como esse fenômeno acontece. A seguir, ele explica os três tipos de dilatação em sólidos. Ao fim da videoaula, o docente resolve um exercício de aplicação.

Dilatação térmica em líquidos

Os líquidos se comportam de maneira diferente dos sólidos. Dessa forma, sua dilatação também é distinta. Para compreender a explicação desse fenômeno, veja a videoaula ministrada pelo professor Marcelo Boaro. Ao longo da aula, o docente explica como calcular esse tipo de variação de volume. Ao fim do vídeo, o professor resolve um exemplo de aplicação.

Os tópicos de termologia são muito cobrados em avaliações de grande escala, como vestibulares e Enem. Por isso, compreendê-los em sua totalidade é de extrema importância. Além da dilatação térmica, estude também a condução térmica.

Referências