Dilatação Térmica

Com certeza você já viu cenas como a da imagem, ou então rachaduras nas casas. 

Já reparou que, em dias de muito calor, a fiação elétrica entre os postes fica mais longa, aumentando a curvatura entre os postes? E em dias de frio, esses mesmos fios ficam quase esticados?

E os estranhos barulhos nas casas durante a noite fria? Qual é o fenômeno físico por trás disso tudo?

Essas situações ocorrem em decorrência da dilatação térmica.

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Chamamos de dilatação térmica o fenômeno que ocasiona um aumento nas dimensões de um objeto quando aumentamos a temperatura. Isso pode ocorrer em sólidos, líquidos ou gases.

Quando aumentamos a temperatura, aumentamos a vibração dos átomos que compõem o sólido, logo, aumentamos também a distância desses átomos, e, assim, as dimensões do sólido.

Temos 3 tipos de dilatação térmica: a linear, a superficial, e a volumétrica.

Dilatação térmica linear

Esse tipo de dilatação leva em conta o aumento da dimensão apenas em uma única direção. Podemos aplicar para qualquer objeto em que seu comprimento seja mais relevante que sua espessura. Um exemplo seria um fio longo.

Para o cálculo da dilatação térmica linear utilizamos a seguinte fórmula:

\(\Delta L\) = \(L.\alpha\). \(\Delta T\)

Onde \(\Delta L\) é a variação do comprimento, L é o comprimento inicial, \(\alpha\) é o coeficiente de dilatação linear que varia conforme o material, e \(\Delta T\) é a variação da temperatura.

Dilatação térmica superficial

Nesse caso, levamos em conta o aumento da dimensão da superfície de um sólido. Um exemplo seria uma chapa de metal bem fina.

Para o cálculo da dilatação térmica superficial utilizamos a seguinte fórmula:

\(\Delta A\) = \(A.\beta\). \(\Delta T\)

Onde \(\Delta A\) é a variação da superfície, A é a área inicial, \(\beta\) é o coeficiente de dilatação superficial, \(\Delta T\) é a variação da temperatura.

Dilatação térmica volumétrica

Nesse caso levamos em conta o aumento do volume de um sólido. Um exemplo seria um cubo de metal.

Para o cálculo da dilatação térmica volumétrica utilizamos a seguinte fórmula:

\(\Delta V\) = \(V.\gamma\) . \(\Delta T\)

\(\Delta V\) é a variação do volume, V é o volume inicial, \(\gamma\) é o coeficiente de dilatação volumétrico, \(\Delta T\) é a variação da temperatura.

Coeficiente de dilatação

O coeficiente de dilatação é uma constante para um tipo de material em específico. Cada material vai ter sua constante diferente, ou seja, o coeficiente de dilatação muda seu valor para cada tipo de material.

Temos algumas relações entre os coeficientes:

• Coeficiente de dilatação linear e coeficiente de dilatação superficial

\(\beta\) = \(2.\alpha\)

• Coeficiente de dilatação linear e coeficiente de dilatação volumétrico

\(\gamma\) = \(3.\alpha\)

Os líquidos possuem uma propriedade diferente dos sólidos: eles não têm forma própria, adquirindo, assim, a forma do recipiente que os contém.

Sendo assim, não tem sentido realizar o cálculo de dilatação térmica linear ou dilatação térmica superficial. Portanto, para os líquidos, é válido apenas a dilatação térmica volumétrica:

\(\Delta V\) = \(V.\gamma\) . \(\Delta T\)

Onde \(\Delta V\) é a variação do volume ocupado pelo líquido, V é o volume que o líquido ocupa inicialmente, \(\gamma\) é o coeficiente de dilatação volumétrica dos líquidos, e \(\Delta T\) é a variação da temperatura.

Dilatação anômala da água

Na imagem acima podemos ver a variação do volume de água conforme muda a temperatura.

A dilatação térmica da água é diferente das outras substâncias, quando a temperatura aumenta, o volume de água diminui até alcançar 4ºC.

Como calcular a dilatação de uma chapa metálica com um buraco no centro? 

Para isso, precisamos avaliar a chapa e o buraco separadamente, e também devemos considerar o buraco vazio, sofrendo expansão da mesma forma que ele sofreria se estivesse preenchido. Portanto, o buraco aumentaria.