Dilatação térmica

Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e consequente aumento na distância média entre as mesmas. A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendo-se afirmar que: Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos.

Conceitos

Temperatura é uma grandeza física pela qual avaliamos o grau de agitação térmica das moléculas de uma substância (sólida, líquida ou gasosa). As escalas utilizadas em tal avaliação podem ser a escala Celsius ou a Kelvin, que são centígrados, ou seja, a diferença entre o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água é igual a cem divisões de escala. Além dessas, existe a escala Fahrenheit.

Calor é a energia térmica em trânsito provocada por diferenças de temperaturas, ou seja, se dois corpos, em temperaturas diferentes, forem postos juntos (contato térmico), a energia térmica do corpo de maior temperatura será transferida espontaneamente para o corpo de menor temperatura. Essa energia deslocada chamamos calor. Conceitualiza-se dois tipos de calor (abreviado pela letra Q): o calor sensível, que é a quantidade de calor que um corpo cede ou absorve, provocando apenas variação de temperatura, e o calor latente ou oculto, que é a quantidade de calor cedida ou absorvida provocando apenas mudança no estado físico.

Existem três formas de transmissão de calor: condução térmica, quando a energia é transportada de molécula a molécula (sem que estas sejam deslocadas), encontrada em sólidos; convecção térmica, que ocorre em substâncias fluidas (líquido+gasoso), e irradiação térmica, que é o calor transferido ou irradiado como ondas eletromagnéticas (ondas de calor, calor radiante). Ocorre, por exemplo, entre o Sol e a Terra. Este fato explica o motivo das garrafas térmicas utilizarem uma camada espelhada de metal e uma aproximação do vácuo. Com a aproximação do vácuo a transferêcia de calor por condução ou convecção será muito reduzida (seria impossível se fosse um vácuo perfeito), e a parte espelhada evita a passagem de calor por irradiação.

Coeficiente de dilatação térmica α

Fórmula genérica: materiais isotrópicos

Nos materiais isotrópicos pode-se calcular a variação de comprimento, e conseqüentemente de área e volume, em função da variação de temperatura:

$\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$

• $\Delta L,\$ variação do comprimento em metros (m) ;
• $\alpha,\$ coeficiente de dilatação linear em 1/Kelvin (K ^{− 1}) ;
• $L_0,\$ comprimento inicial em metros (m) ;
• $\Delta T = T-T_0,\$ variação de temperatura em Kelvin (K) ou em graus Celsius (°C).

Nota: Visto que se utiliza uma variação, uma diferença, é indiferente que a unidade de medida da temperatura seja graus Celsius ou Kelvin pois ambas são centigradas. Se o coeficiente de dilatação for dado em Fahrenheit, a temperatura do cálculo deve ser também Fahrenheit.

Tensor de dilatação térmica: materiais anisotrópicos

Os materiais cristalinos não cubicos apresentam uma dilatação anisotrópica:o seu coeficiente de dilatação $\alpha\,$ varia com a direção. Para descrever a sua dilatação recorre-se a um tensor simétrico de ordem 2:

$\begin{bmatrix} \alpha_{11} & \alpha_{12} & \alpha_{13} \\ \alpha_{21}=\alpha_{12} & \alpha_{22} & \alpha_{23} \\ \alpha_{31}=\alpha_{13} & \alpha_{32}=\alpha_{23} & \alpha_{33} \end{bmatrix}$

Por exemplo, para uma rede triclínica é necessário conhecer seis coeficientes de dilatação ortogonais, que não têm necessariamente que coincidir com os eixos do cristal.A dilataçaõ termica é causada pela fadiga do material em atrito com o corpo.é o caso do chocolate derretido.

Os valores próprios do tensor de dilatação térmica ou coeficientes de dilatação linear principais $\alpha_1\,$, $\alpha_2\,$ e $\alpha_3\,$, permitem obter o coeficiente de dilatação volúmica traço do tensor: $\beta=\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3=\alpha_{11}+\alpha_{22}+\alpha_{33}\,$

Tipos de Dilatação

Quanto à dilatação dos corpos, esta é de três tipos, uma vez que existem três estados físicos da matéria (sólido, líquido e gasoso).

Dilatação Linear

Na dilatação linear (uma dimensão). O comprimento de uma barra aumenta linearmente. As barras dos trilhos ferroviários são feitas com um espaçamento para a dilatação não causar problemas. Não que as barras dos trilhos ferroviárias sejam feitas no calor, mas para evitar que, com a dilatação térmica, o trilho seja retorcido, já no inverno, com as baixas temperaturas, os trilhos se "retraem", fazendo com que o espaçamento entre os trilhos aumente, vale lembrar também que a dilatação não é um fenômeno visível, variando de acordo com o material e a temperatura. A dilatação linear é apenas teórica, sendo que para que algo exista ele deve ser tridimensional, numa dilatação a matéria ira dilatar em três dimensões, mas como não é possível calcular essa dilatação, adota-se somente o calculo da dilatação linear.

Coeficientes de dilatação linear

Os coeficientes de dilatação linear de algumas substâncias e elementos químicos a seguir indicados aplicam-se à faixa de temperaturas indicada. Quando não indicada presume-se uma temperatura ambiente. Na realidade estes coeficientes variam com a temperatura mas assume-se a sua exatidão na faixa indicada.

Nota: clicando em cada um dos títulos é possível reordenar a tabela.

Substância α 10^-6(máx.) α 10^-6(min.) Faixa de temperaturas Gálio 120,0 vgv Índio 32,1 Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100 °C-390 °C Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100 °C-390 °C Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100 °C-390 °C Latão 18,0 21,0 100 °C-390 °C Prata 20,0 100 °C-390 °C Aço inoxidável 19,0 11,0 540 °C-980 °C Cobre 18,0 14,0 100 °C-390 °C Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540 °C-980 °C Ouro 14,0 100 °C-390 °C Aço 14,0 10,0 540 °C-980 °C Cimento(concreto) 6,8 11,9 Temp. ambiente Platina 9,0 100 °C-390 °C Vidro(de janela) 8,6 20 °C-300 °C Cromo 4,9 Tungstênio 4,5 Temp. ambiente Vidro Pyrex 3,2 20 °C-300 °C Carbono e Grafite 3,0 2,0 100 °C-390 °C Silício 2,6 Quartzo fundido 0,6 Dilatação superficial Na dilatação superficial (superfície = área, logo, neste caso temos duas dimensões). A dilatação do comprimento e da largura de uma chapa de aço é superficial. Se um disco ou chapa com um furo central dilatar, o tamanho do furo e da chapa aumentam simultaneamente. Ou seja, é aquela em que predomina a variação em duas dimensões, isto é, a variação da área. Fórmula ∆A = β . Ao . ∆θ... ∆s=s Dilatação volumétrica Na dilatação volumétrica (calcula-se o volume, logo três dimensões: altura, largura e comprimento). A dilatação de um líquido ou de um gás é volumétrica. O coeficiente de dilatação volumétrica é dado da seguinte forma: Coeficiente de dilatação linear X 3 (o número três representa as dimensões altura, largura e comprimento) encontrando um novo valor que é utilizado nos calculos onde se verifica a variação do volume. Bibliografia http://www.brasilescola.com/fisica/dilatacao-termica-calorimetria.htm Brasil escola-calorimetria Ver também Calor Calorimetria Escalas termométricas Temperatura Referências