Introdução:
Todos os corpos na natureza estão sujeitos a este fenômeno, uns mais outros menos. Geralmente, quando esquentamos algum corpo, ou alguma substância, esta tende aumentar seu volume (expansão térmica). E se esfriarmos algum corpo ou substância esta tende a diminuir seu volume (contração térmica).
Existem alguns materiais que em condições especiais fazem o contrário, ou seja, quando esquentam contraem e quando esfriam dilatam. É o caso da água quando está na pressão atmosférica e entre 0ºC e 4ºC. Mas estes casos são exceções.
Porque isso acontece?
Bem, você deve estar lembrado que quando esquentamos alguma substância estamos aumentando a agitação de suas moléculas, e isso faz com que elas se afastem umas das outras, aumentando logicamente o espaço entre elas. Para uma molécula é mais fácil, quando ela está vibrando com mais intensidade, afastar-se das suas vizinhas do que aproximar-se delas. Isso acontece por causa da maneira como as forças moleculares agem no interior da matéria.
É importante sabermos que isto é um fenômeno que está em nosso dia-a-dia. Os trilhos do trem que se dilatam, os cabos elétricos, as placas de concreto de um viaduto e outros casos. Existe também a dilatação nos líquidos, a qual e estudaremos suas particularidades mais adiante.
dilatação térmica dos sólidos
Começaremos discutindo a dilatação em sólidos. Para um estudo mais detalhado podemos separar essa dilatação em três tipos: dilatação linear (aquela que ocorre em apenas uma dimensão), dilatação superficial (ocorre em duas dimensões) e dilatação volumétrica (ocorre em três dimensões).
Vejamos agora cada uma das dilatações:
Dilatação linear: É aquela em que predomina a variação em uma única dimensão, ou seja, o comprimento.
Quando estamos estudando a dilatação de um fio, teremos a ocorrência predominante de um aumento no comprimento desse fio. Essa é a característica da dilatação linear. Imaginemos uma barra de comprimento inicial Lo e temperatura inicial to. Ao aquecermos esta barra para uma temperatura t ela passará a ter um novo comprimento L.
Para estudarmos a dilatação linear, consideremos uma barra de comprimento inicial Li, à temperatura inicial ti.
Aumentando a temperatura da barra para tf, seu comprimento passa a Lf.
Em que L = Lf – Li é a variação de comprimento, isto é, a dilatação linear da barra, na variação de temperatura t = tf – ti.
Experimentalmente, verificou-se que:
a) delta L é diretamente proporcional ao comprimento inicial Li .
b) delta L é diretamente proporcional à variação de temperatura t.
c) delta L depende do material que constitui a barra.
A partir dessas relações, podemos escrever.
Em que α é uma constante característica do material que constitui a barra, denominada coeficiente de dilatação linear. A unidade de α é 1/ºC = ºC-1.
Dilatação superficial
Dilatação superficial é aquela em que predomina a variação em duas dimensões, ou seja, a variação da área.
Quando estamos estudando a dilatação de uma placa de concreto, teremos a ocorrência predominante de um aumento na área dessa placa. Essa é a característica da dilatação superficial.
Consideremos uma placa de área inicial Si, à temperatura inicial ti. Aumentado a temperatura da placa para tf sua área passa para Sf.
A experiência mostra que S é proporcional a Si e t.
Logo:
Em que β é o coeficiente de dilatação superficial do material que constitui a placa (β = 2α).
Da mesma forma que para a dilatação linear, podemos escrever:
Dilatação cúbica:
A dilatação cúbica pode ser chamada também de volumétrica ou tridimensional, ela ocorre quando o volume os corpos sofre um aumento, como por exemplo, se esquentarmos uma esfera, seu volume irá aumentar.
Vejamos a ilustração:
Para entendermos melhor a ilustração acima, vamos à explicação:
Na primeira figura, podemos ver que a esfera laranja, passa com facilidade pela argola, na segunda figura, a esfera laranja foi aquecida, e na terceira figura podemos ver que após o aquecimento, seu volume aumentou, não conseguindo passar pela argola.
Quando estamos estudando a dilatação de um paralelepípedo, teremos a ocorrência predominante de um aumento no volume desse corpo. Essa é a característica da dilatação volumétrica. Imaginemos um paralelepípedo de volume inicial Vo e temperatura inicial to. Ao aquecermos este corpo para uma temperatura t ele passará a ter um novo volume V.
Veja o esquema:
Para responder a questão anterior devemos avaliar outra questão:
Do que depende a dilatação volumétrica do paralelepípedo?
Poderíamos citar:
→ o volume inicial;
→ a variação da temperatura;
→ o tipo do material.
Logo temos que:
Onde:
O coeficiente de dilatação volumétrica é a grandeza que indica o material utilizado. A relação do coeficiente de dilatação volumétrica com o linear é dada por:
