Quase todas as substâncias, sólidas, líquidas ou gasosas, se dilatam

Em física podemos dizer que dilatação térmica é o aumento das dimensões do corpo a partir do aumento da temperatura. Ocorre com quase todos os materiais, no estado sólido, líquido ou gasoso. Dizemos que a dilatação do corpo está relacionada à agitação térmica das moléculas que compõem o corpo, pois sabemos que quanto mais quente estiver o corpo maior será a agitação térmica de suas moléculas.

Quanto mais as moléculas de um corpo vibram (agitam), mais espaço elas precisam para vibrar. Dessa forma, o aumento das dimensões do corpo se dá pelo aumento do espaço entre as moléculas que compõem o corpo. Diante disso, se o aumento de temperatura produz expansão térmica do corpo, uma redução de temperatura provocará diminuição de volume, isto é, provocará a contração do corpo.

Nos estudos da termologia, levamos em consideração três tipos de dilatação térmica: a dilatação linear, que está ligada ao aumento do comprimento do corpo quando ele é aquecido; a dilatação superficial, que está ligada ao aumento do comprimento e da largura do corpo, ou seja, há um aumento em duas dimensões; e a dilatação volumétrica, que está ligada ao aumento do corpo em três dimensões, ou seja, com o aumento da temperatura o corpo sofre variação no comprimento, na largura e na altura.

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Em geral é difícil perceber a olho nu (isto é, sem o uso de instrumentos) a dilatação térmica dos corpos. No nosso cotidiano nos deparamos com diversas situações nas quais é necessário levar em conta a expansão térmica, por exemplo: os trilhos dos trens são colocados de modo que sempre haja um pequeno espaço entre eles, para evitar as deformações (figura acima) quando se aquecem; nas calçadas cimentadas são colocadas juntas de dilatação entre as placas de cimento para evitar deformações pelo aumento de temperatura, etc.

Assim como os sólidos, os líquidos também se dilatam com o aumento da temperatura. Embora os líquidos não tenham forma própria (eles assumem a forma dos recipientes que os contêm), não definimos para eles os coeficientes de dilatação linear e superficial, definimos apenas o coeficiente de dilatação volumétrica.

Assim, para que possamos estudar a dilatação volumétrica dos líquidos, é necessário que eles estejam contidos em um recipiente, que por sinal também se dilatará. Assim, precisamos geralmente levar em consideração duas dilatações, a dilatação do líquido e a dilatação do recipiente.

Dilatação térmica linear é um fenômeno em que um corpo de formato alongado sofre um aumento em seu comprimento por conta de um aumento de temperatura. A dilatação sofrida por um corpo depende de fatores como a variação de temperatura sofrida e o coeficiente de dilatação característico de cada substância.

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Dilatação térmica

Dilatação térmica é o acréscimo no tamanho dos corpos decorrente de um aumento da agitação térmica das moléculas. Com o aumento de temperatura, as moléculas passam a mover-se com amplitudes maiores, dessa forma, ocupam um espaço maior. Existem basicamente três classificações para a dilatação térmica, são elas:

• Dilatação térmica linear: ocorre nos corpos de formato alongado, como fios, cabos, barras de metal etc.

• Dilatação térmica superfícial: predomina em objetos que têm formato superfícial, como azulejos, placas metálicas etc.

• Dilatação térmica volumétrica: é muito comum em líquidos e gases, entretanto pode ocorrer em sólidos que apresentem dimensões de tamanhos similares.

Neste texto falaremos com mais detalhes sobre a dilatação térmica linear, vamos lá?

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Dilatação térmica linear

Quando um fio é aquecido, seu comprimento aumenta, graças ao aumento da movimentação de suas moléculas. Como o comprimento do fio é a sua dimensão mais relevante, dizemos que ele sofre majoritariamente uma dilatação térmica linear, apesar de a expansão ocorrer em todas as direções.

A dilatação linear, que é um aumento de comprimento, pode ser calculada pela expressão a seguir:

ΔL – dilatação linear (m)

L0 – comprimento inicial (m)

LF – comprimento inicial (m)

α – coeficiente de dilatação linear (ºC-1)

ΔT – variação de temperatura (ºC)

Exemplos de dilatação térmica linear

Confira alguns exemplos de situações em que ocorre a dilatação linear:

• Em dias quentes, os fios dos postes apresentam uma catenária mais acentuada, uma vez que o comprimento dos fios aumenta.

• Os trilhos dos trens e as pontes apresentam juntas de dilatação, que são pequenos espaços entre blocos de concreto ou metal, cuja função é evitar os danos às estruturas devido à dilatação térmica.

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Tabela de coeficientes de dilatação linear

Na figura a seguir, apresentamos uma tabela com o módulo do coeficiente de dilatação linear para alguns materiais comuns, confira:

Material

Coeficiente de dilatação linear (ºC-1)

Vidro

3.10-6

Aço

11.10-6

Concreto

12.10-6

Cobre

17.10-6

Alumínio

22.10-6

Zinco

26.10-6

Exercícios sobre dilatação linear

Questão 1) (UFG) Uma longa ponte foi construída e instalada com blocos de concreto de 5 m de comprimento a uma temperatura de 20 °C em uma região na qual a temperatura varia ao longo do ano entre 10 °C e 40 °C. O concreto destes blocos tem coeficiente de dilatação linear de 10-5 °C-1. Nessas condições, qual distância em cm deve ser resguardada entre os blocos na instalação para que, no dia mais quente do verão, a separação entre eles seja de 1 cm?

a) 1,01

b) 1,10

c) 1,20

d) 2,00

e) 2,02

Gabarito: Letra A

Resolução:

Para calcular a distância entre os blocos, precisamos determinar a dilatação sofrida por cada bloco, confira:

Considerando-se o cálculo feito acima, a resposta correta é a letra A.

Questão 2) (Enem PPL) Para a proteção contra curtos-circuitos em residências são utilizados disjuntores, compostos por duas lâminas de metais diferentes, com suas superfícies soldadas uma à outra, ou seja, uma lâmina bimetálica. Essa lâmina toca o contato elétrico, fechando o circuito e deixando a corrente elétrica passar. Quando da passagem de uma corrente superior à estipulada (limite), a lâmina se curva para um dos lados, afastando-se do contato elétrico e, assim, interrompendo o circuito. Isso ocorre porque os metais da lâmina possuem uma característica física cuja resposta é diferente para a mesma corrente elétrica que passa no circuito.

A característica física que deve ser observada para a escolha dos dois metais dessa lâmina bimetálica é o coeficiente de:

a) dureza

b) elasticidade

c) dilatação térmica

d) compressibilidade

e) condutividade elétrica

Gabarito: Letra C

Resolução:

As laminas curvam-se por conta dos diferentes coeficientes de dilatação de cada material, que fazem com que uma delas cresça mais que a outra, logo, a alternativa correta é e letra C.

Questão 3) (UEFS) Quase todas as substâncias, sólidas, líquidas ou gasosas, se dilatam com o aumento da temperatura e se contraem quando sua temperatura é diminuída, e esse efeito tem muitas implicações na vida diária. Uma tubulação de cobre, cujo coeficiente de dilatação linear é 1,7.10-5 ºC-1, de comprimento igual a 20,5 m, é usada para se obter água quente.

Considerando-se que a temperatura varia de 20 ºC a 40 ºC, conclui-se que a dilatação sofrida pelo tubo, em mm, é igual a: