Dilatação de Corpos de Prova Metálicos

 

Mudança das propriedades de diferentes corpos devido a variação de sua temperatura

Ágatha Vaz da Cruz Costa, Camila Oliveira Castro, Marcela Oliveira de Carvalho, Rayssa Silva Aguiar.

Turma 31A do curso de Engenharia Civil.

02 de fevereiro de 2017

1. Resumo

 A energia cinética que um corpo possui é responsável por definir o grau de agitação das partículas que o compõem. Essa agitação é maior ou menor de acordo com o aumento ou diminuição da temperatura fornecida a este corpo. [1]. Essa variação de temperatura não só altera o comportamento das partículas como também interfere na dimensão deste corpo. A variação dessas dimensões pode ser chamada de dilatação. Sempre ao se falar em dilatação deve-se entender que cada corpo o faz respeitando as características do material no qual é constituído e, para isso dá-se o nome de coeficiente de dilatação. Neste experimento foi realizado um estudo prático e teórico da dilatação em diferentes corpos.

1. Introdução

 Uma das causas da dilatação é a variação da temperatura de um corpo e consequentemente a desordem das partículas que o constituem. Por dilatação, têm-se que, ela pode ser linear, superficial ou volumétrica dependendo da superfície estudada.

 A dilatação linear é usada para corpos em estados sólidos, no qual a alteração acontece significativamente em somente uma de suas dimensões, comprimento, por exemplo. Ou seja, o comprimento do corpo vai se alterar proporcionalmente a variação de temperatura ocorrida. [2]. Porém, essa alteração ocorre de maneira que sejam respeitadas as capacidades de cada material de dilatar. Essa capacidade de dilatar é o chamado coeficiente de dilatação específico de cada material.

  O experimento realizado teve como principal objetivo comparar valores teóricos de coeficiente de dilatação, com os valores encontrados em laboratório ao submeter corpos lineares a diversas temperaturas, e para isso, foi utilizado o conceito de dilatação linear.

1. Modelos

1. Modelo Teórico

 Temperatura determina o quão agitadas estão as partículas de um determinado corpo. Essa agitação modifica as propriedades dos corpos. Uma dessas modificações ocorre no comprimento dos corpos, sendo que, à responsável por isso dá-se o nome de dilatação térmica. O fato dela modificar o comprimento induz a dizer que se trata de uma dilatação linear.

 A dilatação linear (∆𝐿) está diretamente relacionada ao comprimento inicial de um corpo qualquer (𝐿0), a variação ocorrida na temperatura (∆T) e ao coeficiente de dilatação (α) específico do corpo que expressa a facilidade do comprimento aumentar ou diminuir. [2]. Contudo têm-se a seguinte fórmula:

∆𝐿 = 𝐿0. 𝛼. ∆𝑇                                                                 (1)

 Um exemplo do dia a dia que ilustra muito bem a dilatação linear é ao observar o aumento no comprimento dos trilhos de um trem quando submetidos a uma variação positiva na temperatura. Como tentativa de evitar este problema, quando são construídas as linhas férreas, é respeitado um limite de distância de um trilho para outro, para que haja espaço suficiente para suportar a dilatação dos trilhos. Com isso, percebe-se a importância do estudo da dilatação térmica de cada material.

 Além da dilatação linear, temos também a dilatação superficial e volumétrica. Todas elas trazem o mesmo conceito, porém se aplicam em diferentes situações. A superficial diz respeito a corpos em duas dimensões, ou seja, depende de um valor de área de uma determinada superfície. Já a volumétrica usa-se quando há uma dilatação que varia em três dimensões dependendo, então, do volume do corpo. Todas elas dependem de uma variação na temperatura para acontecerem, e ainda do coeficiente de dilatação de cada material. Sendo, que o coeficiente de dilatação superficial é o dobro do linear e o coeficiente de dilatação volumétrica é o triplo do linear. Com todas essas definições é possível realizar um estudo bem criterioso quanto a dilatação térmica.

1. Modelo experimental

 Materiais utilizados: 

• Base de sustentação metálica com relógio comparador;
• Corpos lineares de alumínio, cobre e aço;
• Termômetro;
• Balão volumétrico;
• Rolha com furo;
• Garra;
• Haste;
• Mangueira de silicone;          Lamparina.          Trena.

A montagem experimental foi realizada de acordo com a figura 1.

[pic 1] 

Figura1: Montagem experimental. [3]

A figura 1 demonstra a montagem do experimento, que possui um balão volumétrico com uma certa quantidade de água que ao ser aquecida, com auxílio de uma lamparina, entrava em ebulição. Ao balão foi conectada uma mangueira de silicone que transferia o calor recebido pela água para a barra colocada na base de sustentação. À barra foi acoplado um termômetro que media a sua temperatura naquele ponto e, ainda, no final dela foi colocado um relógio comparador que media a sua dilatação linear em uma dada temperatura.

 O experimento foi realizado de forma que a cada alteração na temperatura da barra fosse anotado o valor correspondente de dilatação linear obtido no relógio comparador. O mesmo procedimento foi realizado para três diferentes tipos de barra sendo uma de alumínio, outra de cobre, e a outra de aço. Para a de alumínio foram anotados além dos valores de elevação da temperatura os de decaimento da mesma. Todas as barras tiveram seu comprimento inicial devidamente medido. Os valores das dilatações e temperaturas são mostrados nos resultados e discussões.

1. Resultados e Discussões

1. Resultados para a barra 1

Ao aquecer a barra 1, deparou-se com um pequeno acidente que resultou num desvio das medidas corretas das dilatações. Devido a isso, as medidas de dilatação durante o aquecimento da barra foram descartadas e fez-se a medição novamente durante o resfriamento. Os valores obtidos são mostrados na tabela 1.

Tabela 1. Dilatações e temperaturas na barra 1.

BARRA 1
Temperatura (±0,5°C)	Dilatação(±0,05mm)
41,0	0,56
39,0	0,35
38,0	0,32
37,0	0,31
36,0	0,27
35,0	0,25
34,0	0,23
33,0	0,20
32,0	0,16
31,0	0,14
30,0	0,12
29,0	0,10
28,0	0,08
27,0	0,06
26,0	0,00

Através desses dados, fez-se um gráfico da dilatação em função da variação da temperatura (gráfico1).