Dilatação térmica

Introdução

No dia-a-dia podemos observar que entre os trilhos de ferro, nas quadras de futebol, em pontes e viadutos existem pequenas fendas de dilatação que possibilitam a expansão da estrutura sem que ocorram possíveis trincas e danos na estrutura. Esses acontecimentos são explicados através da dilatação térmica.[1]

A temperatura mede o grau de agitação das moléculas, um grau de agitação maior indica uma temperatura maior. Assim, quando aquecemos um corpo conseqüentemente aumenta-se o grau de agitação das moléculas que o constitui. Esse acontecimento faz com que ocorra um aumento nas dimensões do corpo, fenômeno esse denominado de dilatação térmica. A diminuição de temperatura provoca, por conseqüência, a diminuição nas dimensões do corpo, chamada de contração térmica. Mas o que explica a dilatação térmica? Será somente o aumento da temperatura do corpo? Não, o que explica a dilatação térmica são as forças intermoleculares, essas fazem com que a distância entre as moléculas aumente ou diminua.[1]

Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração nas dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e volumétricas.[1]

Para compreender a dilatação linear observe a gravura abaixo que demonstra a expansão de uma barra metálica de comprimento Li após a mesma ser aquecida.[1]

Se essa barra metálica for homogênea é fácil compreender que cada unidade de comprimento da barra, após ser aquecida, sofre a mesma dilatação por unidade de variação de temperatura, ou seja, todos os centímetros da barra devem sofrer a mesma dilatação se for aquecida igualmente.[1]

Realizando esse experimento de aquecimento da barra verifica-se que a variação do comprimento da mesma é proporcional à variação da temperatura sofrida por ela. Assim, podemos escrever a seguinte equação que determina a dilatação linear dos sólidos:

ΔL = LiαΔt

ΔL é a variação do comprimento, ΔL = Lf – Li.

Δt é a variação da temperatura, Δt = tf – ti.

α é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de dilatação linear, e a sua unidade é o °C-1. Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio, o do alumíno, por exemplo, é 24. 10-6 °C-1.[1]

O presente relatório tem o objetivo de mostrar o experimento feito em laboratório para estudar o fenômeno da dilatação térmica linear em sólidos empregando o teste de dilatação em barras de metal de alumínio, cobre e latão.

Procedimento experimental

Mediu-se o comprimento inicial das barras a serem estudadas (L0). Mediu-se a temperatura nicial (T0). Conectou-se a barra de metal ao equipamento tomando cuidado para que o encaixe da barra ao relógio comparador ocorresse de forma a evitar erros na medição ou mesmo perda do experimento por encaixe inadequado. Adicionou-se água destilada em balão de 250 mL. Em seguida, conectou-se o balão à barra a ser estudada e com o auxílio de uma manta, aqueceu-se o balão até a ebulição da água destilada.

Observou-se a variação no relógio marcador (responsável pela identificação do fenômeno da dilatação) e anotou-se o valor marcado pelo relógio quando deixou de ocorrer variação no ponteiro (valor que corresponde à ΔL). Mediu-se a temperatura final do vapor de água (Tf).

Resultados e Discussões

A análise de dilatação térmica linear nas barras de metal pode ser observadas após o experimento feito com o dilatômetro, um instrumento que determina a dilatação térmica linear através da variação do comprimento do material devido à variação de temperatura.[2]

Na tabela 1 temos os resultados experimentais obtidos para cada barra.

Tabela 1: Variação do comprimento das barras em função da temperatura

Barra L0 (mm) T0 (ºC) Tf (ºC) ∆L (mm)

Alumínio 983 28 97 165×10-2

Latão 980 28 94 34×10-2

Cobre 980 28 95 135×10-2

À partir dos dados coletados foi possível calcular o coeficiente de dilatação baseados na seguinte fórmula:

α