Dilatação Térmica: Coeficiente, Tipos e Exercícios
Expansão térmica é o aumento ou variação de várias dimensões métricas (como comprimento ou volume) sofridas por um corpo ou objeto físico. Este processo acontece devido ao aumento da temperatura ao redor do material. No caso de dilatação linear, essas mudanças ocorrem em uma única dimensão.
O coeficiente desta dilatação pode ser medido comparando o valor da quantidade antes e depois do processo. Alguns materiais sofrem o oposto da expansão térmica; isto é, torna-se "negativo". Este conceito propõe que alguns materiais se contraiam quando expostos a determinadas temperaturas.
Quanto aos sólidos, um coeficiente de expansão linear é usado para descrever sua expansão. Por outro lado, um coeficiente de expansão volumétrico é usado para os líquidos realizarem os cálculos.
No caso de sólidos cristalizados, se for isométrico, a dilatação será geral em todas as dimensões do cristal. Se não for isométrico, podem ser encontrados diferentes coeficientes de expansão ao longo do cristal, e ele mudará de tamanho ao alterar a temperatura.
Coeficiente de expansão térmica
O coeficiente de expansão térmica (Y) é definido como o raio de variação através do qual um material passou devido à mudança na sua temperatura. Este coeficiente é representado pelo símbolo α para sólidos e β para líquidos, e é guiado pelo Sistema Internacional de Unidades.
Os coeficientes de expansão térmica variam quando se trata de sólido, líquido ou gás. Cada um tem uma particularidade diferente.
Por exemplo, a dilatação de um sólido pode ser vista ao longo de um comprimento. O coeficiente volumétrico é um dos mais básicos no que diz respeito aos fluidos e as mudanças são notáveis em todas as direções; Esse coeficiente também é usado ao calcular a expansão de um gás.
Expansão térmica negativa
A expansão térmica negativa ocorre em alguns materiais que, em vez de aumentar seu tamanho com altas temperaturas, se contraem devido às baixas temperaturas.
Este tipo de expansão térmica é geralmente visto em sistemas abertos onde as interações direcionais são observadas - como no caso do gelo - ou em compostos complexos - como ocorre com alguns zeólitos, Cu2O, entre outros.
Da mesma forma, algumas investigações mostraram que a expansão térmica negativa também ocorre em redes de componente único de forma compacta e com uma interação de força central.
Um exemplo claro de expansão térmica negativa pode ser visto ao adicionar gelo a um copo de água. Neste caso, a alta temperatura do líquido no gelo não causa nenhum aumento no tamanho, mas reduz o tamanho do mesmo.
Tipos
Ao calcular a dilatação de um objeto físico, deve-se levar em consideração que, dependendo da mudança de temperatura, o objeto pode aumentar ou contrair seu tamanho.
Alguns objetos não exigem uma mudança drástica de temperatura para modificar seu tamanho, portanto, é provável que o valor gerado pelos cálculos seja médio.
Como todos os processos, a expansão térmica é dividida em vários tipos que explicam cada fenômeno separadamente. No caso dos sólidos, os tipos de expansão térmica são a dilatação linear, a dilatação volumétrica e a dilatação da superfície.
Dilatação linear
Na dilatação linear, uma única variação predomina. Nesse caso, a única unidade que sofre uma alteração é a altura ou a largura do objeto.
Uma maneira fácil de calcular esse tipo de expansão é comparando o valor da quantidade antes da mudança de temperatura com o valor da quantidade após a mudança de temperatura.
Dilatação volumétrica
No caso da dilatação volumétrica, a maneira de calculá-la é comparando o volume do fluido antes da mudança de temperatura com o volume do fluido após a mudança de temperatura. A fórmula para calcular é:
Superfície ou dilatação da área
No caso de dilatação superficial, o aumento na área de um corpo ou objeto é observado quando há mudança de temperatura para 1 ° C.
Essa dilatação funciona para sólidos. Se você também tiver o coeficiente linear, poderá ver que o tamanho do objeto será duas vezes maior. A fórmula para calcular é:
A f = A 0 [1 + YA (Tf - T 0 )]
Nesta expressão:
γ = coeficiente de expansão da área [° C-1]
A 0 = área inicial
A f = área final
T 0 = temperatura inicial.
T f = temperatura final
A diferença entre dilatação de área e dilatação linear é que no primeiro há uma mudança de aumento na área do objeto, e no segundo a mudança é de uma única unidade de medida (como pode ser o comprimento ou a largura do objeto físico).
Exemplos
Primeiro exercício (dilatação linear)
Os trilhos que compõem o trilho de um trem construído em aço têm um comprimento de 1500 m. Qual será o comprimento no momento em que a temperatura vai de 24 a 45 ° C?
Solução
Dados:
L0 (comprimento inicial) = 1500 m
L f (comprimento final) =?
Para (temperatura inicial) = 24 ° C
Tf (temperatura final) = 45 ° C
α (coeficiente de expansão linear correspondente ao aço) = 11 x 10-6 ° C-1
Os dados são substituídos na seguinte fórmula:
No entanto, primeiro devemos conhecer o valor do diferencial de temperatura, a fim de incluir esses dados na equação. Para alcançar este diferencial, subtraia a temperatura mais alta da mais baixa.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Uma vez que esta informação seja conhecida, é possível usar a fórmula anterior:
Lf = 1500 m (1 + 21 ° C, 11 x 10-6 ° C-1)
Lf = 1500 m (1 + 2, 31 x 10-4)
Lf = 1500 m (1.000231)
Lf = 1500, 3465 m
Segundo exercício (dilatação superficial)
Em uma escola secundária, uma venda de vidro tem uma área de 1, 4 m ^ 2, se a temperatura estiver em 21 ° C. Qual será a sua área final quando a temperatura aumentar para 35 ° C?
Solução
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1, 4 m2 [1] 204, 4 x 10-6]
Af = 1, 4 m2 1.0002044
Af = 1.40028616 m2
Por que a dilatação acontece?
Todo mundo sabe que todo material é composto de várias partículas subatômicas. Ao alterar a temperatura, aumentar ou diminuir, esses átomos começam um processo de movimento que pode alterar a forma do objeto.
Quando a temperatura aumenta, as moléculas começam a se mover rapidamente devido ao aumento da energia cinética e, portanto, a forma ou o volume do objeto aumentará.
No caso de temperaturas negativas acontece o oposto, neste caso o volume do objeto é geralmente contraído por baixas temperaturas.
