- Coeficiente de dilatação térmica
- Expansão térmica negativa
- Tipos
- Dilatação linear
- Dilatação volumétrica
- Dilatação da superfície ou área
- Exemplos
- Primeiro exercício (dilatação linear)
- Solução
- Segundo exercício (dilatação superficial)
- Solução
- Por que a dilatação acontece?
- Referências
A expansão térmica é aumentada ou variação de várias dimensões métricas (como comprimento ou volume) que sofre um objeto físico ou corpo. Esse processo ocorre devido ao aumento da temperatura ao redor do material. No caso da dilatação linear, essas mudanças ocorrem em apenas uma dimensão.
O coeficiente dessa expansão pode ser medido comparando o valor da magnitude antes e depois do processo. Alguns materiais sofrem o oposto da expansão térmica; ou seja, torna-se "negativo". Este conceito propõe que alguns materiais se contraiam quando expostos a certas temperaturas.
Expansão térmica na água
Para sólidos, um coeficiente de expansão linear é usado para descrever sua expansão. Por outro lado, para líquidos, um coeficiente de expansão volumétrico é usado para realizar os cálculos.
No caso de sólidos cristalizados, se for isométrico, a expansão será geral em todas as dimensões do cristal. Se não for isométrico, diferentes coeficientes de expansão podem ser encontrados em todo o vidro, e ele mudará de tamanho quando a temperatura mudar.
Coeficiente de dilatação térmica
O coeficiente de expansão térmica (Y) é definido como o raio de mudança pelo qual um material passa devido à mudança em sua temperatura. Este coeficiente é representado pelo símbolo α para sólidos e β para líquidos, e é orientado pelo Sistema Internacional de Unidades.
Os coeficientes de expansão térmica variam quando se trata de sólido, líquido ou gás. Cada um tem uma peculiaridade diferente.
Por exemplo, a dilatação de um sólido pode ser vista ao longo de um comprimento. O coeficiente volumétrico é um dos mais básicos em termos de fluidos, e as mudanças são notáveis em todas as direções; Este coeficiente também é usado no cálculo da expansão de um gás.
Expansão térmica negativa
A expansão térmica negativa ocorre em alguns materiais que, em vez de aumentar de tamanho com as altas temperaturas, se contraem devido às baixas temperaturas.
Este tipo de expansão térmica é geralmente visto em sistemas abertos onde interações direcionais são observadas - como no caso do gelo - ou em compostos complexos - como acontece com alguns zeólitos, Cu2O, entre outros.
Da mesma forma, algumas pesquisas mostraram que a expansão térmica negativa também ocorre em redes de um único componente na forma compacta e com uma interação de força central.
Um exemplo claro de expansão térmica negativa pode ser visto quando adicionamos gelo a um copo de água. Nesse caso, a alta temperatura do líquido no gelo não causa nenhum aumento de tamanho, mas sim o tamanho do gelo é reduzido.
Tipos
Ao calcular a expansão de um objeto físico, deve-se levar em consideração que, dependendo da mudança de temperatura, esse objeto pode aumentar ou contrair de tamanho.
Alguns objetos não requerem uma mudança drástica na temperatura para mudar seu tamanho, então é provável que o valor retornado pelos cálculos seja médio.
Como qualquer processo, a expansão térmica é dividida em vários tipos que explicam cada fenômeno separadamente. No caso de sólidos, os tipos de expansão térmica são expansão linear, expansão volumétrica e expansão superficial.
Dilatação linear
Uma única variação predomina na dilatação linear. Nesse caso, a única unidade que sofre alteração é a altura ou largura do objeto.
Uma maneira fácil de calcular esse tipo de dilatação é comparando o valor da magnitude antes da mudança de temperatura com o valor da magnitude após a mudança de temperatura.
Dilatação volumétrica
No caso da expansão volumétrica, a forma 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 calculá-lo é:
Dilatação da superfície ou área
No caso da dilatação da superfície, observa-se um aumento na área de um corpo ou objeto devido a uma mudança em sua temperatura a 1 ° C.
Esta expansão funciona para sólidos. Se também tivermos o coeficiente linear, podemos ver que o tamanho do objeto será 2 vezes maior. A fórmula para calculá-lo é:
A f = A 0
Nesta expressão:
γ = coeficiente de expansão de área
A 0 = área inicial
A f = área final
T 0 = Temperatura inicial.
T f = temperatura final
A diferença entre a dilatação da área e a dilatação linear é que na primeira você vê uma mudança de aumento na área do objeto, e na segunda a mudança é de uma única unidade de medida (como o comprimento ou o largura do objeto físico).
Exemplos
Primeiro exercício (dilatação linear)
Os trilhos que compõem a linha de um trem de aço têm 1.500 m de comprimento. Qual será a longitude quando a temperatura passar de 24 a 45 ° C?
Solução
Dados:
Lο (comprimento inicial) = 1500 m
L f (comprimento final) =?
Tο (temperatura inicial) = 24 ° C
T f (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, você deve primeiro saber o valor do diferencial de temperatura, a fim de incluir esses dados na equação. Para atingir esse diferencial, a temperatura mais alta deve ser subtraída da mais baixa.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Conhecida essa informação, 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 de segundo grau, uma loja de vidro tem uma área de 1,4 m ^ 2, se a temperatura for de 21 ° C. Qual será a sua área final quando a temperatura aumentar para 35 ° C?
Solução
Af = A0
Af = 1,4 m 2 204,4 x 10 -6]
Af = 1,4 m 2. 1,0002044
Af = 1.40028616 m 2
Por que a dilatação acontece?
Todos sabem que todo material é feito de várias partículas subatômicas. Ao alterar a temperatura, seja aumentando ou diminuindo-a, esses átomos iniciam um processo de movimento que pode modificar a forma do objeto.
Quando a temperatura aumenta, as moléculas começam a se mover rapidamente devido ao aumento da energia cinética e, assim, a forma ou o volume do objeto aumentam.
No caso de temperaturas negativas, ocorre o contrário, neste caso o volume do objeto tende a se contrair devido às baixas temperaturas.
Referências
- Dilatação Linear, Superficial e Volumétrica - Exercícios. Resolvido recuperado em 8 de maio de 2018, de Fisimat: fisimat.com.mx
- Dilatação superficial - exercícios resolvidos. Obtido em 8 de maio de 2018, de Fisimat: fisimat.com.mx
- Expansão térmica. Obtido em 8 de maio de 2018, da Encyclopædia Britannica: britannica.com
- Expansão térmica. Obtido em 8 de maio de 2018, em Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Expansão térmica. Obtido em 8 de maio de 2018, em Lumen Learning:ourses.lumenlearning.com
- Expansão térmica. Obtido em 8 de maio de 2018, em The Physics Hypertextbook: physics.info
- Expansão térmica. Obtido em 8 de maio de 2018, na Wikipedia: en.wikipedia.org.