domingo, 4 de agosto de 2013

Dilatação térmica: o que é, o que causa!

Por Ana Caroline Pscheidt


A dilatação térmica é a variação das dimensões de um material, causada pela mudança de temperatura. Para compreender porque isso acontece, precisamos do conceito de temperatura.

Temperatura é a medida da agitação das moléculas. Ao aquecermos uma substância, aumentamos a agitação de suas moléculas, a qual causa um acréscimo no tamanho do objeto aquecido.Caso a resfriemos, acontece o processo inverso. Neste caso a agitação das moléculas diminui e o objeto contrai. Existem algumas exceções, porém a maioria dos materiais se comporta desta maneira.

Cada substância reage de uma forma à mudança de temperatura, alguns dilatam mais, outros menos. Dizemos então que cada material tem um coeficiente de dilatação, a qual pode ser classificada em três tipos:

Linear: Quando levamos em conta a dilatação em uma dimensão, variação de comprimento, largura ou altura. Ex: Dilatação de fios ou colunas de líquido.

Superficial: Quando levamos em conta a dilatação em duas dimensões, variando assim a área. Ex: Dilatação de placas ou chapas de metal.

Volumétrica: Quando levamos em conta a dilatação em 3 dimensões, ou seja, a variação de volume. Ex: Dilatação de gases, sólidos de volume consideravelmente grande, líquido em recipientes, etc.

Para cada tipo de dilatação existe um coeficiente relacionado: coeficiente de dilatação linear, superficial e volumétrico representados respectivamente pelas letras  α, β e γ. Toda dilatação é volumétrica, mas em alguns casos podemos considerar apenas uma ou duas dimensões  para facilitar o estudo. Por exemplo, em um fio a dilatação linear é muito mais importante do que a dilatação volumétrica então, para efeito de simplificação, consideramos apenas sua dilatação linear.

A dilatação de um material é definida por:


Δl = l0.α.ΔT



ou seja, a variação de comprimento ∆l é igual ao produto do comprimento inicial l0, do coeficiente de dilatação linear α e variação de temperatura ∆T. A relação é análoga para dilatação superficial e volumétrica.

Conhecendo o coeficiente de dilatação de um material, a variação de comprimento e o comprimento inicial, podemos usar a dilatação para medir uma variação de temperatura, ou seja, esse efeito pode ser usado para construir termômetros. 

Termômetro de álcool.
Termômetro é todo equipamento capaz de medir variação de temperatura. Pelo menos um tipo de termômetro você deve conhecer: o termômetro de mercúrio. É aquele normalmente usado para medir a temperatura corporal. Este instrumento é composto por uma coluna de mercúrio que, ao ser aquecido, sofre uma dilatação quase linear. A partir dessa variação de altura, criamos uma escala para descobrir a temperatura corporal ou de outro material.

Outro conceito importante para o funcionamento do termômetro é o equilíbrio térmico. Quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato, estes trocam trocar calor até que estejam na mesma temperatura. Nesse momento, dizemos que os corpos atingiram o equilíbrio térmico. Lembrando que o calor é a energia em transito e passa do corpo mais quente para o mais frio.

Na imagem ao lado temos um termômetro de álcool colorido. Este funciona da mesma maneira que o de mercúrio. O liquido dentro do tubo de vidro tem uma altura inicial. e quando o colocamos  em contato com o corpo, temos que esperar certo tempo até que se atinja o equilíbrio térmico, ou seja, a temperatura do seu corpo seja igual à do termômetro. A variação da desta irá causar a dilatação térmica do liquido, alterando assim, sua altura, que indicará a temperatura na escala do termômetro. Se não houvesse essa escala, teríamos que calcular a variação de temperatura a cada uso. Porém, este cálculo já foi feito pelo fabricante!


A DILATAÇÃO NAS FERROVIAS


A dilatação térmica também pode causar problemas. Ferrovias podem ser fortemente danificadas se não forem planejadas adequadamente. 

Os trilhos são feitos de metais que normalmente têm coeficiente de dilatação bem elevado, ou seja, com uma pequena variação de temperatura podem variar bastante seu volume. Neste caso, a oscilação da temperatura durante o dia podem entortá-los. Por isso as ferrovias são construídas com juntas de dilatação que, nesse caso, podem ser folgas planejadas para essas variações.

A imagem que abre este texto ilustra o o resultado de uma ferrovia construída sem esse cuidado. Em um dia muito quente o trilho pode ficar bem curvado e até causar acidentes. 

Parta amenizar os impactos deste fenômeno, existem diferentes tipos de juntas de dilatação, sendo importantes em qualquer tipo de construção, pois impedem rachaduras nas estruturas causadas pela expansão do concreto. 

Exemplo de junta de dilatação para trilhos.
Na imagem acima vemos a junção de dois trilhos de trem com o espaçamento proposital deixado para que eles dilatem sem entortar a linha férrea.  

O estudo sobre a dilatação térmica trouxe varias possibilidades para a Ciência. A própria invenção do termômetro foi muito importante para a comprovação de diversas teorias. Esse conhecimento também nos acarretou melhorias nas grandes construções que encontramos nas cidades, aumentando a confiabilidade das estruturas e a prevenção de acidentes.

REFERÊNCIAS

N. S. DJALMA. Física Paraná, 2000, p. 150 – 151. 

HALLIDAY, D. & RESNICK, R. Fundamentos de Física. RJ, Livros Técnicos e Científicos, v. 2.
http://www.sofisica.com.br/
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Um comentário:

  1. Ótima matéria, porém, faltou um exemplo de cálculo para maior aprendizagem.

    Abs

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