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FÍSICA

1ª SÉRIE

DILATAÇÃO TÉRMICA

AULA 46

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OBJETIVOS

Entender o que é dilatação térmica;
Aprender o que são as dilatações térmicas linear, superficial e volumétrica;
Conhecer a dilatação anômala da água.

Materiais que usaremos nesta aula:

Papel alumínio; Folha de papel sulfite; Cola; Tesoura; Isqueiro; Vela; Prendedor de roupa ou outro material para prender a lâmina.

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Você já chegou a ver algo parecido com isso em trilhos de trem?

http://www.fisica.seed.pr.gov.br/modules/galeria/detalhe.php?foto=1166

O nome deste fenômeno é flambagem e ocorre devido a variação de temperatura.

http://www.sbfisica.org.br/~obfep/wp-content/uploads/2019/02/N%C3%ADvel-B-111_20018OK-f.pdf

https://d1ymz67w5raq8g.cloudfront.net/Pictures/1024x536/8/5/8/510858_brokenbottlewithice_shutterstock_1823682740_512198.jpg

Já aconteceu de você colocar uma garrafa dentro do freezer que encolheu ou que estourou?

Tudo isso ocorre por causa da dilatação em consequência da variação da temperatura!

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RELEMBRANDO: TEMPERATURA

Temperatura é o nível de agitação das moléculas de um corpo. Imagine um show em que cada pessoa é uma molécula. Assim que a música começa a ficar mais agitada, o pessoal começa a dançar mais freneticamente. Dentro de um objeto as moléculas agem de modo parecido quando se aumenta a temperatura.

https://www.youtube.com/watch?v=9wj9bRWoO0U

Uma das consequências da movimentação das moléculas devido a mudança de temperatura é variação das dimensões do objeto que abriga essas moléculas.

Esse fenômeno recebe o nome de dilatação térmica.

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DILATAÇÃO LINEAR – 1D

É a dilatação que ocorre quando apenas uma dimensão é considerada como medir a dilatação em fios e barras.

ΔL

L₀

∆L = variação de comprimento (∆L = L – L_o)

L_o = comprimento inicial

L = comprimento final

α = coeficiente de dilatação linear (°C^-1)

∆T = variação de temperatura (∆T = T - T_o)

T_o = temperatura inicial (°C)

T = temperatura final (°C)

∆L = Lo · α · ∆T

O coeficiente α é a característica que uma substância tem para dilatar. Cada substância tem um valor específico de α.

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DILATAÇÃO SUPERFICIAL – 2D

Ocorre em duas dimensões (bidimensional), em objetos como placas e discos.

∆A = variação de área

A_o = área inicial

A = área final

β = coeficiente de dilatação superficial (°C^-1)

β = 2α

∆A = Ao · β · ∆T

A superfície de uma placa apresenta duas dimensões e cada dimensão tem o seu coeficiente de dilatação linear α.

https://pessoal.ect.ufrn.br/~ronai/IFC2-2016-1/A19/A04_files/urlsa%3Di%26rct%3Dj%26q%3D%26esrc%3Ds%26source%3Dimages%26cd%3D%26ved%3D%26url%3Dhttp3A2F2Fwww.ebah.com.jpg

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DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA – 3D

Ocorre em três dimensões (tridimensional), em objetos como caixas e latas.

∆V = variação de volume

V_o = volume inicial

V = volume final

γ = coeficiente de dilatação volumétrica (°C^-1)

γ = 3α

∆V = Vo · γ · ∆T

No cubo da figura cada uma das três dimensões tem o seu coeficiente de dilatação linear α, que somados resultam no coeficiente γ.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Types_of_expansion_of_solids.png

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ATIVIDADE

(UFLA-95) Uma barra de ferro homogênea é aquecida de 10°C até 60°C. Sabendo-se que a barra a 10°C tem um comprimento igual a 5 m e que o coeficiente da dilatação linear do ferro é igual 12 x 10^-6 °C^-1, podemos afirmar que a variação de dilatação ocorrida e o comprimento final da barra foram de:

Dados:

T₀ = 10°C

T = 60°C

L₀ = 5 m

α = 12 x 10^-6°C^-1

∆T = 60 – 10

∆T = 50 °C

∆L = Lo · α · ∆T

∆L = 5 · 12 · 10^-6· 50

∆L = 3000 · 10^-6m

∆L = 3 · 10^-3m

∆L = 0,003 m

∆L = L - L₀

0,0003 = L – 5

L = 0,003 + 5

L = 5,003 m

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DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA

Para calcular a dilatação da água, assim como outros fluidos, é necessário que ela esteja dentro de um recipiente. Nesse caso usamos a dilatação volumétrica.

Praticamente todo objeto que aumenta de temperatura também aumenta de tamanho e se reduzir a temperatura, também reduz seu tamanho. Mas será que com a água é a mesma coisa?

Entre 4° C e 100°C as moléculas se ligam e se separam facilmente. Entre 4°C e 0° as moléculas se alinham de forma hexagonal, ocupando mais espaço. Isso também explica o fato do gelo boiar na água sendo que o sólido tende a ser mais denso que o líquido.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua#/media/Ficheiro:Anomuladaagua-califos.png

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É por causa da dilatação anômala da água que a garrafa quebra se colocada dentro do freezer. Ao reduzir a temperatura entre 4°C e 0°C, o vidro continua a contrair seu tamanho enquanto a água passa dilatar, fazendo pressão na garrafa até que ela quebre. De 0°C para baixo, a água, na forma de gelo, volta a se contrair.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_an%C3%B4mala_da_%C3%A1gua#/media/Ficheiro:Anomuladaagua-califos.png

http://www.sbfisica.org.br/~obfep/wp-content/uploads/2019/02/N%C3%ADvel-B-111_20018OK-f.pdf

https://d1ymz67w5raq8g.cloudfront.net/Pictures/1024x536/8/5/8/510858_brokenbottlewithice_shutterstock_1823682740_512198.jpg

No caso da garrafa plástica que encolhe, a água age do mesmo modo, mas quem contrai a garrafa é o ar dentro dela que também reduz seu volume.

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SUGESTÃO DE ATIVIDADE

Vamos simular uma lâmina bimetálica. Lâminas bimetálicas são duas lâminas de metais diferentes que são coladas para serem utilizadas em aparelhos como ferro de passar. Para o experimento, vamos utilizar o papel para servir como se fosse o segundo metal.

Parte I

Materiais:

Papel alumínio;
Folha de papel sulfite;
Cola;
Tesoura;
Isqueiro;
Vela;
Prendedor de roupa ou outro material para prender a lâmina.

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SUGESTÃO DE ATIVIDADE

Procedimento:

1 - Cole o papel na folha de alumínio e espere secar;

2 – Recorte em tiras de aproximadamente 2 cm ou 3 cm;

3 – Prenda uma tira de papel ao prendedor de roupa para você não se queimar;

4 - Acenda a vela e aproxime a tira da chama “sem encostar” o material no fogo e espere um tempo para ver o que acontece.

Parte II

Questões:

1) O que ocorre com sua lâmina?

2) Qual dos materiais tem o maior coeficiente de dilatação?

3) O que ocorreria se a lâmina fosse resfriada ao invés de ser esquentada?

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O QUE VIMOS HOJE?

Dilatação térmica é uma consequência da variação de temperatura e pode ser calculada em uma, duas ou três dimensões
Os coeficientes de dilatação levam em conta a quantidade de dimensões que tem o objeto de estudo
Entre 4°C e 0°C ocorre a dilatação anômala da água, em que ao invés de contrair durante a redução de temperatura, ela dilata, podendo então romper o recipiente que a comporta.

Professor, caso tenha alguma sugestão ou elogio para esta aula, acesse:

https://forms.gle/ZuC8G4UPYMEdztJy5

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GODOY, L. P. Agnolo, R. M. MELO, W. C. Multiversos : Ciências da Natureza : CIÊNCIA, SOCIEDADE E AMBIENTE Ensino Médio. 1ª ed. São Paulo: FTD, 2020.

PIETROCOLA, M. POGIBIN, A. ANDRADE, R. ROMERO, T. Física em Contextos. Vol 2. São Paulo: Ed do Brasil, 2016.

BONJORNO e vários autores. Física: Termologia . Óptica . Ondulatória 2º ano. Vol 2. 3ª ed. São Paulo: FTD, 2016.

BARRETO F, Benigno. SILVA, Claudio. Física aula por aula: Termologia.Óptica.Ondulatória, 2º ano. Vol 2. 3ª Ed. São Paulo: FTD, 2016.

MARTINI, Glorinha. SPINELLI, Walter. REIS, Hugo C. SANT’ANNA, Blaidi. Conexões com a Física. Vol 2. 3ª Edição. São Paulo: Moderna, 2016.

FUKE, L.F. YAMAMOTO, K. Física Para o Ensino Médio 2 - Termologia, Óptica, Ondulatória. 4ª ed. São Paulo: Saraiva, 2016.

Secretaria de Educação de Pernambuco. Dilatação térmica. Disponível em: <https://www1.educacao.pe.gov.br/cpar/ProfessorAutor/F%C3%ADsica/F%C3%ADsica%20%20I%20%202%C2%BA%20ano%20%20I%20%20M%C3%A9dio/Dilata%C3%A7%C3%A3o%20t%C3%A9rmica%20de%20s%C3%B3lidos%20e%20l%C3%ADquidos.ppt>. Acesso em 20 de maio de 2022.

ASTH, R. Dilatação Volumétrica. Toda Matéria. Disponível em: <https://www.todamateria.com.br/dilatacao-volumetrica/#:~:text=Dilata%C3%A7%C3%A3o%20Volum%C3%A9trica%20%C3%A9%20o%20aumento,corpo%20se%20dilatam%2C%20ou%20incham.>. Acesso em 20 de maio de 2022.

REFERÊNCIAS