A Dilatação de Barras Metálicas

Experimento - Dilatação de Barras Metálicas

Data: 22/09/2017

Autores: Isabella Estevão Monteiro, João Paulo Pelegrini dos Santos e Letícia dos Reis Nolasco Antunes

Local: Laboratório de Ensino de Física do CAP-UFSJ

Objetivo: Analisar a dilatação linear de uma barra metálica mediante a sua variação de temperatura.

1 - Introdução

A definição de dilatação térmica pode ser dada como a variação das dimensões de um material mediante uma variação da sua temperatura. Já a dilatação linear é dada é uma dimensão e ocorre uma aumento na distância entre dois pontos no seu comprimento. Independente do material sempre há uma dilatação em todas as direções, mas na dilatação linear as outras dilatações são desprezíveis em relação ao comprimento.

A fórmula da dilatação linear é dada pela seguinte equação:

Δ L = α . L0 . Δ T

Δ L = Variação no comprimento

α = Coeficiente de dilatação linear

L0 = Comprimento inicial

Δ T = Variação de temperatura

A unidade usada para o coeficiente de dilatação linear é o Celsius recíproco (ºC-1)

A dilatação de um corpo, como foi dito, ocorre devido a um aumento de temperatura, que por sua vez acontece quando fornecemos calor a um corpo, gerando um aumento no grau de agitação das moléculas, fazendo com que elas ocupem um espaço maior.

O contrário da dilatação também pode ocorrer, se um corpo sofrer uma redução de temperatura haverá uma redução no grau de agitação das moléculas, fazendo com que o corpo sofra uma contração.

2 - Descrição da montagem

Foram utilizados os seguintes itens:

1. Uma base de sustentação metálica com medição de comprimento;
2. Duas hastes para a barra;
3. Uma haste para sustentação do balão;
4. Um balão de destilação;
5. Um relógio comparador;
6. Uma barra de alumínio oca;
7. Um termômetro;
8. Uma rolha com furo para termômetro;
9. Uma garra de fixação;
10. Um tubo de látex;
11. Uma lamparina para aquecimento;
12. Cronômetro.

[pic 1]

Figura 1: Montagem do experimento

3 - Descrição do experimento executado

3.1 - Dilatação

Primeiramente fixamos uma das pontas da barra de alumínio(sem apertar muito) e deixamos a outra parte livre em contato direto com o relógio comparador(lembrando de zerar o mesmo). Foi posicionada a saída lateral para um lado onde não vá atingir ninguém pois há saída de água quente que condensa dentro do tubo. Em seguida foi medido o comprimento inicial da barra e a temperatura inicial. Ascendeu-se a lamparina e foi colocada em baixo do balão de destilação fixado por uma haste. Quando o ponteiro do relógio comparador estacionou foi anotado o comprimento final e a temperatura final, sendo desse modo possível calcular o coeficiente de dilatação linear do alumínio.

3.2 - Contração

Assim que a lamparina foi apagada começou-se a contar o tempo com um cronômetro e observar-se a contração da barra de modo a dizer se a barra obedecia a Lei de Resfriamento de Newton.

4 - Apresentação e análise dos resultados

4.1 - Parte 1

A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que o comprimento é a dimensão mais importante, como a barra utilizada. Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, corpos com esse formato sofrerão, principalmente, variações no comprimento. Essas variações estão diretamente relacionadas ao comprimento inicial, variação de temperatura e o material da barra.

Considerações feitas durante o experimento

• Temperatura ambiente de 23°C;
• Comprimento inicial da barra de 520mm;
• O material da barra é alumínio;

A variação de temperatura foi obtida após a barra entrar em equilíbrio térmico qual pode ser observado uma vez que o relógio comparador parou de variar; isso ocorreu a uma temperatura de 94°C.

A partir desses fatores, pode-se chegar a uma equação matemática que mostra como determinar a alteração de comprimento sofrida por um corpo devido a variações de temperatura.

Δ L = α . L0 . Δ T

Como os valores finais e iniciais de temperatura e comprimento puderam ser medidos pelo termômetro e relógio comparador, respectivamente. Portanto nosso objetivo era calcular o coeficiente de dilatação linear (α) correspondente da barra.

Tabela 1: Dados experimentais, parte 1.

Grupos	ΔL	ΔT	α
1	0,9 mm	71°C	2,44*10-5
2	0,9mm	71°C	2,43*10-5
3	0,8mm	72°C	2.27*10-5

4.2 - Parte 2

Nessa parte foi observado o resfriamento da barra, com o coeficiente de dilatação linear (α) já calculado, e a variação de comprimento sendo medida em intervalos variados de segundos, pudemos expressar os dados obtidos em dois gráficos, ambos em função do tempo, a partir da Lei de resfriamento de Newton (.[pic 2]

Tabela 2: Dados experimentais, parte 2.

ΔT (°C)	t (s)	lnΔT (°C)	ΔL (mm)
66,99	10	4,20	0,85
63,05	20	4,14	0,80
60,68	30	4,10	0,77
58,32	40	4,06	0,74
55,95	50	4,02	0,71
53,59	60	3,98	0,68
51,22	70	3,94	0,65
48,86	80	3,88	0,62
47,28	90	3,85	0,60
45,71	100	3,82	0,58
44,13	110	3,78	0,56
42,55	120	3,75	0,54
40,98	130	3,71	0,52
39,40	140	3,67	0,50
37,83	150	3,63	0,48
32,31	170	3,47	0,41
29,94	190	3,29	0,38
28,37	210	3,34	0,36
25,22	240	3,22	0,32
22,85	270	3,12	0,29
20,49	300	3,01	0,26
18,91	330	2,93	0,24
17,33	360	2,85	0,22
15,76	390	2,75	0,20
12,61	450	2,53	0,16
11,03	510	2,40	0,14