A Dilatação Térmica

Dilatação Térmica

Resumo

Este experimento teve como objetivo mostrar a existência de dilatação térmica e medir os coeficientes de dilatação linear  do ferro, do latão e do alumínio, através da medição da dilatação das barras de acordo com a variação da temperatura.

Introdução

Dilatação térmica é quando os  átomos de um sólido cristalino se mantêm coesos num arranjo tridimensional, chamado rede cristalina, sob ação de forças inter atômicas semelhantes às exercidas por molas. Os átomos vibram, em torno de suas posições de equilíbrio na rede, com uma amplitude que depende da temperatura. Quando a temperatura aumenta, a amplitude média de vibração dos átomos aumenta também, e isto leva a um aumento da separação média entre eles, produzindo a dilatação.

Quando consideramos o aumento entre todas as partículas de um objeto, temos uma variação considerável. Entretanto, a dilatação ou a contração da maioria dos materiais não atinge grandes valores.

De maneira mais simples dilatação térmica é quando um material ou um substância após ser aquecido tem suas dimensões alteradas, podemos dizer que quanto maior for o aumento da temperatura maior será sua dilatação.  

Em geral, os materiais se expandem quando a temperatura aumenta, e contraem-se quando a temperatura abaixa, desde que essa variação de temperatura não produza uma mudança de fase.

Um sólido possui três dimensões: comprimento, altura e largura. Se observarmos apenas a variação de uma de suas dimensões, quando acontece a dilatação, essa dilatação será denominada dilatação linear.

Quanto à dilatação linear, podemos afirmar que o tipo de material tem influência na dilatação da substância. Essa característica dos materiais pode ser representada por um número chamado coeficiente de dilatação que é obtido experimentalmente e que informa quanto uma unidade de comprimento da substância se dilata ao sofrer variação de temperatura de 1° C.

Como exemplo é possível afrouxar uma tampa metálica muito apertada de um frasco de vidro, colocando-a sob um jato de água quente, como a tampa se expande mais do que o vidro com o

aumento da temperatura ela se soltara com maior facilidade.

A maioria de nós já vimos as juntas de dilatação que existem em pontes e outras estruturas de concreto, até mesmo os materiais que os dentistas usam para preencher cavidades nos dentes devem ter as mesmas propriedades de expansão térmica do dente, a modo de não se deformarem com o aumento da temperatura. [1] [2]

Procedimento Experimental

[pic 1]

Fig. 1: Imagem ilustrativa dos materiais utilizados durante o experimento.

Material utilizados conforme Fig. 1:

• 1 base de sustentação metálica 10cm.x67cm com régua de 52cm mais 2 hastes fixas na base para suporte dos corpos de prova.
• 1 relógio comparador, precisão 0,01mm fixado na base.
• 3 corpos de prova de metais diferentes (latão, alumínio e ferro).
• 1 termômetro -10°C à +110ºC.
• 1balão de destilação 250ml.
• 1 rolha com furo para termômetro.
• 1 garra com mufa para fixação e haste.
• 1 tubo de látex com 40cm comprimento com conexão para corpo de prova.

Para começarmos nosso experimento, primeiro fixamos o tubo de ferro no suporte, e  rosqueamos o manípulo sem por muita pressão, em seguida na outra extremidade do tubo ajustamos o relógio comparador e zeramos suas marcações, a partir daí fizemos nossas duas primeiras medições, verificamos e anotamos o comprimento inicial da barra entre o relógio e a extremidade fixa do suporte, e para a temperatura consideramos uma temperatura ambiente definida pelo professor.

Com esses dois dados podemos então dar inicio ao experimento, como já havia água no reservatório apenas verificamos o nível de água, e conectamos o tubo de látex, do recipiente contendo água até à extremidade da barra próxima da fenda de apoio, acendemos nossa lamparina, e sem fechar o recipiente observemos  a água chegar a seu ponto de ebulição, ao ferver a água tampamos o recipiente com o termômetro embutido em uma rolha, e para verificarmos quando nosso corpo de prova atingiu o equilíbrio térmico, esperamos até que da extremidade da barra,  próxima ao relógio comparador, começasse a sair vapor.

Chegando a esse ponto, então voltamos e verificamos a dilatação de comprimento da barra observando quanto o ponteiro do relógio comparador se moveu, e através do termômetro fixado na rolha podemos medir a temperatura final da água.

Repetimos a experiência com as barras de latão e alumínio.

Resultados e Discussão

O modo como cada fator (variação da temperatura, variação do comprimento e material da barra) influenciou na dilatação pode ser traduzido matematicamente pela equação:

ΔL= L0  .α .ΔT

Sendo α o coeficiente de dilatação, ΔL a variação do comprimento, L0 o comprimento inicial e Δt a variação da temperatura, utilizei  essa fórmula para calcular separadamente, o coeficiente de dilatação linear, para cada um dos corpos de prova. [3]

CORPO DE PROVA – FERRO

A barra de ferro, de comprimento inicial, 𝑙𝑜 = 521 𝑚𝑚 e temperatura inicial definida, T0 = 28°C, após ser aquecida até atingir o ponto de ebulição da água, passou a ter um comprimento final de,  L=521,43mm e temperatura final de, T=96°C 

Assim:

ΔL = L- L0                 ΔT = T-T0

ΔL = (521,43) – (521)        ΔT = (96) – (28)

ΔL = 0,43mm                ΔT = 68°C

Com esse dados podemos então calcular o coeficiente de dilatação linear do ferro.

α = ΔL / (L0 * ΔT)

α = 0,43 / (521 * 68)