Por que os objetos se dilatam ao serem aquecidos e se contraem ao serem resfriados?

A dilatação superficial é causada pelo aumento da temperatura sobre um objeto. Ela é proporcional à área inicial e à variação de temperatura sobre o corpo.

Quando um objeto que possui dimensões de largura e altura é submetido a uma variação de temperatura, ele sofre variação em suas dimensões. Isso ocorre porque, ao fornecermos calor para esse objeto, aumentamos a energia interna e a agitação molecular dos átomos, ou das moléculas, que o constituem. Essa agitação causa aumento na área da superfície do objeto, ou seja, dilatação superficial. Analogamente, quando resfriamos o mesmo objeto, diminui-se a agitação molecular, as moléculas ficam mais unidas e ocorre a contração superficial.

Como exemplo, suponhamos que uma placa metálica, com temperatura inicial T0 e área A0, seja submetida a uma fonte de calor. Sua temperatura aumenta para T, ocorre uma dilatação superficial ΔA e a área ocupada passa a ser A:

Um corpo com área inicial A0 recebe energia térmica e sofre uma dilatação superficial ΔA

A dilatação superficial é diretamente proporcional à variação de temperatura ΔT e à área inicial A0, porém ela também depende do material a partir do qual é construída. Essa dependência é expressa matematicamente pela constante de proporcionalidade β, também chamada de coeficiente de dilatação superficial da substância que compõe o corpo.

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A dilatação superficial é calculada pela expressão:

ΔA= A0. β . ΔT

O coeficiente β de uma substância é igual ao dobro do coeficiente linear α dessa substância:

β = 2 α

A área final A ocupada pela placa após a dilatação é a soma da área inicial com a dilatação:

ΔA = A - A0

Podemos então reescrever a equação da dilatação dada anteriormente, substituindo ΔA por A – A0:

ΔA= A0. β . ΔT ----------- A - A0 = A0. β . ΔT

A = A0 + A0. β . ΔT

A = A0 (1 + β . ΔT)

Aproveite para conferir a nossa videoaula sobre o assunto:

Dilatação – O que é

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A dilatação é um processo autônomo, o que significa que não pode ser controlada de forma consciente.

Ele é utilizado como um método de regular ou controlar, a passagem de materiais, de fluidos, de sólidos dentro do corpo.

Dilatação térmica dos sólidos e líquidos

Dilatação térmica é o fenômeno pelo qual um corpo sofre uma variação nas suas dimensões, quando sujeito a umavariação de temperatura.

Todos os corpos existentes na natureza, sólidos, líquidos ou gasosos, quando em processo de aquecimento ou resfriamento, ficam sujeitos à dilatação ou contração térmica.

O processo de contração e dilatação dos corpos ocorre em virtude do aumento ou diminuição do grau de agitação das moléculas que constituem os corpos.

Ao aquecer um corpo, por exemplo, devido ao aumento do grau de agitação, as moléculas mais agitadastendem a se afastar levando a um aumento na distância entre elas.

Esse espaçamento maior entre elas se manifesta através do aumentodas dimensões do corpo.O contrário ocorre quando os corpos são resfriados. Ao acontecer isso as distâncias entre as moléculas são diminuídas e em conseqüência disso há diminuição nas dimensões do corpo.

A dilatação térmica é algo muito comum no nosso dia a dia, pois os objetos são constantemente submetidos a variações de temperatura. Na engenharia, esse fenômeno deve ser considerado na construção de algumas edificações, como por exemplo, na construção de pontes e viadutos. Pode-se perceber ainda, que é devido aos efeitos dadilatação, que se deixam espaços entre os trilhos de trem em uma estrada de ferro. Estes espaços são para que não ocorra deformação da mesma devido a variação de temperatura. 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.

Essas construções costumam ser feitas em partes e, entre essas partes, existe uma pequena folga para que, nos dias quentes, ocorra a dilatação sem nenhuma resistência. Do contrário, teríamos algum comprometimento da estrutura. Quando você tenta abrir um vidro de picles e ele está muito apertado você coloca a tampa na água quente que ela vai se dilatar mais que o vidro e vai abrir,quando você liga o carro numa manha fria ele faz ruídos estranhos até o metal, de que é feito, de dilatar possibilitando um espaço maior para as peças e a fuselagem do veículo. Até as fendas das calçadas (o espaço entre uma placae outra) se você perceber se dilatam em dias de verão.

O estudo da dilatação dos sólidos possui importantes aplicações práticas, como a compensação da dilatação dos pêndulos, a dilatação dos trilhos e das pontes (e o conseqüente cálculo da separação entre os segmentos) ou o fabrico da vidraria de laboratório resistente ao calor.

Chama-se dilatação todo acréscimo às dimensões de um corpo por influência do calor que lhe é transmitido. O fenômeno é explicado pela variação das distâncias relativas entre as moléculas, associada ao aumento de temperatura. Normalmente, são estudadas em separado a dilatação dos sólidos, a dos líquidos e a dos gases, distinguindo-se, no caso dos sólidos, a dilatação linear, a superficial e a volumétrica.

Os estudos teóricos partem do conceito de coeficiente de dilatação, definido como o aumento de volume, área ou comprimento experimentado pela unidade de volume (área ou comprimento) quando a temperatura varia de 1o C. Ao denominar-se o coeficiente, se a temperatura varia de tO C, o aumento será; se o volume inicial era vo, o aumento total será, de forma que o volume v após a dilatação pode ser escrito como.

De modo geral, os sólidos se dilatam menos do que os líquidos e estes menos do que os gases. Uma barra de ferro com um metro de comprimento a 0o C dilata-se apenas 1,2mm se a temperatura aumenta para 100o C (seu coeficiente de dilatação linear é, portanto, 1,2 x 10-5). Caso se deseje alongar a mesma barra por meio de uma força de tração, para idêntico acréscimo de comprimento seria necessário aplicar-lhe uma força de 2.400kg por unidade de área. Pode-se introduzir um conceito um pouco mais rigoroso de coeficiente de dilatação.

Chamando de, respectivamente, os coeficientes linear, superficial e volumétrico, ter-se-ia:

Um fio de aço apresenta curiosa anormalidade de dilatação, pois quando a temperatura atinge cerca de 700o C o fio experimenta uma contração para voltar a dilatar-se pouco depois. O fenômeno, reversível, denomina-se recalescência. As ligas de aço-níquel dilatam-se muito pouco e o coeficiente de dilatação varia com a maior ou menor percentagem de níquel nelas contida. O menor valor de corresponde a 36% de níquel, sendo a liga denominada invar; para 46% de níquel, esse coeficiente torna-se igual a 0,9 x 10-5, valor igual ao da platina e ao do vidro comum, sendo a liga denominada platinite.

Alguns corpos como a borracha e a argila contraem-se quando a temperatura se eleva. Esses corpos se aquecem quando são alongados por uma força de tração, ao contrário dos demais, que têm sua temperatura reduzida. A água dilata-se irregularmente. Um volume de água aquecido a partir de 0o C se contrai até 4o C; aí começa a dilatar-se. A água a 4o C possui, portanto, sua maior densidade, sendo tomada como unidade. Por isso as camadas profundas de mares e lagos estão à temperatura constante de 4º C.

Dilatação Térmica

Um dos efeitos da temperatura, é provocar a variação das dimensões de um corpo.

Pois se aumentarmos a temperatura de um corpo, aumenta a agitação das partículas de seu corpo e conseqüentemente, as partículas se afastam  uma das outras, provocando um aumento das dimensões (comprimento, área e volume) do corpo.

A esse aumento das dimensões do corpo dá-se o nome de dilatação térmica.

Dilatação dos Líquidos

Assim como os sólidos, os líquidos também sofrem dilatação com a variação de temperatura. Como os líquidos não têm forma própria, só se leva em consideração a dilatação volumétrica. Em geral, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos e diminuem quando esfriados.

Mas, com a água, o processo de dilatação é um pouco diferente. Ao ser esfriada, ela diminui de volume como os outros líquidos, mas só até 4 °C. Se a temperatura continuar caindo, para baixo de 4°C, o volume da água começa a aumentar. Inversamente, se for aquecida de 0°C a 4°C, a água diminui de volume, mas, a partir de 4°C, ela começa a se dilatar.

É por essa razão que uma garrafa cheia de água e fechada estoura no congelador: de 4°C até 0°C, a água tem seu volume aumentado, enquanto a garrafa de vidro ou plástico diminui de volume.

Dilatação dos Gases

A dilatação dos gases, que é mais acentuada que a dos líquidos, pode ser comprovada por uma experiência bem simples.

Dilatação Linear  

Dilatação linear é aquela em que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento. (Ex: dilatação em cabos, barras, etc….)

Dilatação Superficial e Volumétrica

Verifica-se experimentalmente que a dilatação superficial e a dilatação volumétrica dos sólidos são inteiramente semelhante à dilatação linear.

Tipos de Dilatação 

Dilatação Térmica: Quando uma pessoa está com febre, sua temperatura corporal é mais elevada do que o normal. Isso pode ser comprovado com o auxílio do termômetro clínico. Após retirarmos o termômetro do enfermo, constatamos que o filete de mercúrio se dilatou dentro do cubo. Isso porque as dimensões dos corpos sofrem dilatação quando estes são aquecidos, e contração quando resfriados. Muitas vezes, a dilatação só pode ser comprovada por meio de instrumentos. Mas ela pode também ser entendida pelo movimento das moléculas. Assim quando um corpo é aquecido, suas moléculas vibram mais intensamente.

Por isso, elas necessitam de maior espaço. É o que acontece quando muitas pessoas dançam num salão. Se a dança exigir passos mais amplos, será necessário maior espaço para executá-los. Todos os corpos (sólidos, líquidos ou gasosos) estão sujeitos à dilatação térmica. Vamos estudá-la então em cada um desses tipos de corpos.

Dilatação dos sólidos: Os sólidos que melhor se dilatam são os metais, principalmente o alumínio e o cobre. Temos um bom exemplo disso num vidro de conserva com a tampa metálica emperrada. Para abri-lo, basta mergulhar a tampa na água quente; como o metal se dilata mais que o vidro, a tampa logo fica frouxa. O aquecimento leva os sólidos a se dilatarem em todas as direções; no entanto, às vezes, a dilatação predomina, ou é mais notada, numa direção – é a dilatação linear. Quando duas direções são predominantes, temos a dilatação superficial e, quando ela é importante em todas as direções, considera-se a dilatação volumétrica.

Dilatação Linear — Essa dilatação corresponde ao aumento do comprimento dos corpos quando aquecidos. Se você puder observar uma ferrovia antiga vai notar que, ao longo do mesmo trilho, há um pequeno intervalo, de espaços a espaços (fotos A e B). Isso é necessário para evitar que a dilatação térmica deformasse os trilhos. Nas ferrovias mais modernas, assim como nos trilhos dos metrôs das grandes cidades, não existe esse intervalo, pois atualmente são utilizadas técnicas de engenharia capazes de impedir que os efeitos dessa dilatação se manifestem. Uma delas é a fixação rígida dos trilhos no solo, utilizando-se dormentes de concreto.

Os trilhos da estrada de ferro (foto B) entortaram porque o intervalo entre eles (foto A) não foi suficiente para compensar a dilatação.

Dilatação Superficial — Refere-se à área do sólido dilatado, como, por exemplo, sua largura e seu comprimento. Uma experiência bem simples pode comprovar a dilatação superficial dos sólidos, como mostra a figura abaixo.

Dilatação Superficial: a moeda aquecida não passa pelo aro, pois sua superfície aumentou.

Dilatação Volumétrica — Refere-se ao aumento do volume do sólido, isto é, de seu comprimento, de sua altura e largura. O instrumento usado para comprovar a dilatação volumétrica de um corpo é chamado de anel de Gravezande (figura abaixo).

Dilatação Volumétrica: o volume da esfera aumenta com o aquecimento.

Dilatação dos líquidos: Assim como os sólidos, os líquidos também sofrem dilatação com a variação de temperatura. Como os líquidos não têm forma própria, só se leva em consideração a dilatação volumétrica. Em geral, os líquidos aumentam de volume quando aquecidos e diminuem quando esfriados.

Mas, com a água, o processo de dilatação é um pouco diferente. Ao ser esfriada, ela diminui de volume como os outros líquidos, mas só até 4 °C. Se a temperatura continuar caindo, para baixo de 4°C, o volume da água começa a aumentar. Inversamente, se for aquecida de 0°C a 4°C, a água diminui de volume, mas, a partir de 4°C, ela começa a se dilatar.

É por essa razão que uma garrafa cheia de água e fechada estoura no congelador: de 4°C até 0°C, a água tem seu volume aumentado, enquanto a garrafa de vidro ou plástico diminui de volume.

Dilatação dos gases:  A dilatação dos gases, que é mais acentuada que a dos líquidos, pode ser comprovada por uma experiência bem simples.

Num balão de vidro, com ar em seu interior, introduz-se um canudo dentro do qual há uma gota de óleo (figura abaixo).

Segurando o balão de vidro como indicado na figura, o calor fornecido pelas mãos é suficiente para aumentar o volume de ar e deslocar a gota de óleo.

Fonte: www.colegiosaofrancisco.com.br/fisica2anoassuntos..com.br

Quando objetos se dilatam e quando se contraem?

Por que os corpos se dilatam quando aquecidos?

Por que os materiais se dilatam?

O que acontece com a energia de um objeto quando ele é aquecido ou resfriado?