Dilatação térmica

Dilatação térmica

De um modo geral, quando aumentamos a temperatura de um corpo, aumentamos a agitação molecular, e isso provoca um afastamento das moléculas, resultando num aumento das dimensões de um corpo. Tal efeito é denominado dilatação térmica. Em caso contrário, uma diminuição de temperatura de um corpo acarretará uma diminuição de suas dimensões (contração térmica). Devido ás características dos materiais, a dilatação térmica é diferente para corpos de diferentes materiais.

Os efeitos da dilatação/contração térmica podem ser observados em várias situações cotidianas, como por exemplo, nos fios da rede elétrica ou nos arames de cercas, que em dias quentes apresentam-se menos tensos que em dias frios, em portões que se abrem mais facilmente em dias frios do que em dias quentes ou nos pequenos ruídos que são escutados durante a noite em objetos da casa (causados pela variação nas dimensões dos objetos). Em muitos casos, a dilatação térmica causa efeitos indesejáveis, e em função desses efeitos, algumas técnicas ou cuidados devem ser tomados para evitar problemas. Por exemplo, na construção, as calçadas apresentam vãos entre os blocos de cimento, feitos para que quando estes blocos se dilatarem, não se comprimam e apresentem rachaduras. Outros exemplos que podem ser citados, os trilhos de trem, que apresentam um aumento em seu comprimento em dias quentes e que, portanto podem entortar se não forem planejados visando este efeito e os cabos da rede elétrica que podem romper-se em dias frios por serem muito tensionados. Contudo, também há aplicações práticas da dilatação térmica, como por exemplo, resfriar uma peça para encaixá-la mais facilmente em vãos, aquecer objetos para soltar as peças mais facilmente ou o termostato. O termostato é um dispositivo de manobra em circuitos elétricos baseados no princípio da dilatação de materiais diferentes e constitui de uma chapa cujas faces são constituídas de metais de diferentes coeficientes de dilatação. Quando submetida a uma variação de temperatura, um metal dilata ou contrai mais do que o outro fazendo a chapa envergar-se na direção do metal que sofrer menor variação de tamanho. Quando a chapa enverga-se, ela pode fechar ou abrir circuitos elétricos e então, esse dispositivo é utilizado de diferentes maneiras de acordo com a função do circuito.

Para o estudo da dilatação térmica dos sólidos, consideramos um sólido que, á temperatura T0 , apresenta comprimento c0 , largura l0 e altura h0. Aumentando-se a temperatura do sólido para um valor T, observaremos um aumento em suas dimensões: comprimento c, largura l e altura h (figura 1)

Como a dilatação ocorre de maneira uniforme, as dimensões do corpo dilatam igualmente, sendo assim, podemos tratar a dilatação como sendo linear, superficial ou volumétrica. Isto também pode ser tomado no caso de o comprimento ou a área ser muito maior que as outras dimensões.

Variando um parâmetro por vez, foi determinado experimentalmente uma expressão para quantificar a dilatação. No caso da linear temos:

Onde c0 é o comprimento inicial, α é o coeficiente de dilatação linear do material e é a variação de temperatura. A unidade do coeficiente α é ºC-1. Analogamente as expressões para a dilatação superficial e volumétrica são respectivamente:

Onde β é o coeficiente de dilatação superficial e γ, o coeficiente de dilatação volumétrica. A relação entre os coeficientes α, β e γ é:

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