Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 1ª Série DILATAÇÃO TÉRMICA

(1)

Ciências da Natureza e suas

Tecnologias - Física

Ensino Médio, 1ª Série

(2)

Física , 2ª Série Dilatação Térmica

Expansão das Moléculas

• Temperatura: é a medida do grau de agitação das moléculas; • Calor: é a troca de energia causada exclusivamente por uma diferença de temperatura.

É importante que saibamos o que são temperatura e calor.

(3)

Dilatação dos sólidos

1 Dilatação linear dos sólidos

LA GU N A D E S IGN /S C IE N C E P H OT O LI B R A R Y /LA T IN S T OC K A N D R E W LA M B E R T P H OT OG R A P H Y /S C IE N C E P H OT O LI B R A R Y /LA T IN S T OC K

(4)

Dilatação dos sólidos

•Com a variação na

temperatura de um sólido,

as partículas que o

constituem vibram, menos

ou mais, em torno de sua

posição de equilíbrio.

(5)

Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao crescimento das dimensões de um corpo, ocasionado pelo aumento de sua temperatura.

Dilatação Térmica

(6)

Para pensar melhor...

• Como facilitar a abertura da tampa de um vidro

de azeitonas ?

• A tampa de metal e o vidro sofrerão alterações

quando aquecidas?

• Como esse fenômeno pode ser explicado

fisicamente?

(7)

Você já observou os trilhos em uma estrada de

ferro?

Im ag em : P ow erk ites 16 / cl as si cal m us ic .m zr t@ gm ai l.c om / P ub lic Dom ai n.

(8)

Dilatação linear dos sólidos

R -P /K IN O R -P /K IN O FOT OH U N T E R /S H U T T E R S T OC K

(9)

Dilatações e contrações em mais de

uma dimensão

•A dilatação de alguns corpos, como azulejos e blocos de concreto, é mais perceptível em duas dimensões.

2 Dilatação superficial dos sólidos

LU A N A FI S C H E R /FOLH A I M A GEM FE R N A N D O FA V OR E T T O/ C R IA R I M A GEM

(10)

A dilatação afeta todas as

dimensões de um corpo

•Em alguns corpos, é mais fácil perceber que a

dilatação e a contração dos sólidos é volumétrica.

3 Dilatação volumétrica dos sólidos

D A VI D R . FR A ZI ER PH O T O LI B R A R Y /A L A M Y /O T H ER I M A G ES FA B IO Y O SH IH IT O M A T SU U R A

(11)

Física , 2ª Série Dilatação Linear

Os fios de telefone ou luz, expostos ao Sol, variam

suas temperaturas, fazendo com que o fio se estenda

de um comprimento inicial (Lo) para um comprimento final (L), aumentando assim sua curvatura.

Imagem: Hugh Venables /

(12)

Ocorre quando o corpo sofre expansão em uma dimensão

A dilatação do fio

depende de três fatores: • da substância da qual é feito o fio;

• da variação de

temperatura sofrida pelo fio;

• do comprimento inicial do fio.

Dilatação Linear

Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

(13)

EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO LINEAR

∆L = Lo.α.∆T

(14)

• ∆L é variação de comprimento do fio, ou seja, ∆L = Lf – Lo; • Lo é o comprimento inicial;

• Lf é o comprimento final;

• α é o coeficiente de dilatação linear, uma característica da

substância. Sua unidade é o °C-1_;

• ∆T é a variação de temperatura, ou seja, ∆T = Tf - To, onde To

representa a temperatura inicial do fio e Tf a temperatura final.

(15)

Já sabe responder?

•É possível que o tempo se

dilate

com a variação da

temperatura?

D A M IA N P A LU S /S H U T T E R S T OC K

(16)

Já sabe responder?

•Por que não convém construir uma casa

grudada à do vizinho?

3 Dilatação volumétrica dos sólidos

R

-P

/K

IN

(17)

Gráfico da Dilatação Linear

como

(18)

(19)

EXERCÍCIOS:

O gráfico abaixo representa a variação do comprimentode uma barra homogênea com a temperatura. Determine ocoeficiente de dilatação linearde que a barra é constituída.

(20)

• Há corpos que

podem ser

considerados

bidimensionais, pois

sua terceira

dimensão é

desprezível, frente

às outras duas, por

exemplo, uma chapa

(1)

.

Física , 2ª Série

Dilatação Superficial

A expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo.

(21)

Vemos uma chapa retangular que, ao ser aquecida, teve toda a sua superfície

aumentada, passando de uma área inicial (Si) a uma área final (Sf). Ou seja, a variação da área de superfície S pode ser escrita por (2):

∆S= Sf – Si

(22)

A dilatação superficial, analogamente à dilatação linear, depende:

• da variação de temperatura sofrida pelo corpo; • da área inicial;

• do material do qual é feito o corpo. O coeficiente utilizado neste caso, é o de dilatação superficial β, que equivale a duas vezes o coeficiente de dilatação linear, isto é: β = 2α_. _{Sua unidade também é o °C}-1 ₍₃₎_.

(23)

• ∆S é a dilatação superficial ou o quanto a superfície variou; • β é o coeficiente de dilatação superficial; • Si é a área inicial; • ∆T é a variação de temperatura (4).

∆S = β.Si.∆T

EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO SUPERFICIAL

(24)

EXERCÍCIO:

• Um quadrado de lado 2m é feito de um material cujo coeficiente de dilatação superficial é igual a 1,6.10-4_.

Determine a variação de área deste quadrado quando aquecido em 80°C.

• ΔS = So.β.ΔӨ

• ΔS = 4.1,6 .10-4_.80

(25)

Exercícios:

• Sabendo que o coeficiente de dilatação linear

do ferro é 1,2.10

-5

_{, determine o coeficiente de}

dilatação superficial.

• Como β = 2.α= temos que β = 2.1,2.10

-5

₌

(26)

(27)

(28)

Já sabe

responder?

•O tamanho do

vazio também

se altera

quando a

temperatura

varia?

2 Dilatação superficial dos sólidos

OVI D IU IOR D A C H I/ S H U T T E R S T OC K P H OT OVI B E S / S H U T T E R S T OC K D M IT R Y K R A M A R / S H U T T E R S T OC K T H OR S T E N S C H U H / S HU T T E RS T OCK

(29)

Espaços vazios:

• Uma chapa com um furo ao ser aquecida sofre

aumento tanto da sua área quanto do furo

• dois corpos,um maciço e outro oco de mesmo

material e mesmo volume inicial sofre um

mesmo acréscimo de temperatura,sofrerão

um mesma dilatação.

(30)

– Objetivo: Verificar como diferentes materiais produzem diferentes dilatações.

Material: – papel comum 3x10cm; – papel alumínio 3x10cm; – cola; – vela. Física , 2ª Série Dilatação Superficial

Experimento 1: Dilatação Superficial

Lâmina Bimetálica

(31)

Procedimentos:

– cole o papel comum, no lado opaco do

papel alumínio;

– espere secar;

– aproxime a vela acesa do papel alumínio e

veja o que acontece;

– aproxime a vela do papel comum;

– verifique a diferença e qual dos dois sofreu

maior dilatação

(5)

.

(32)

– FAÇA VOCÊ MESMO!

Material:

– 20 cm de fio de cobre de 1mm de diâmetro (fio elétrico);

– bolinha de isopor de 1 a 1,5 cm de diâmetro; – suporte de caneta (sem carga);

– lamparina ou suporte com vela;

Física , 2ª Série Dilatação Superficial Im ag em : S E E -P E , red es en ha do a p arti r de im ag em de A uto r Des con he ci do .

(33)

Procedimentos:

– descasque o fio de cobre;

– passe-o ao redor da bolinha, formando um anel. O fio deve ficar bem justo;

– passe a outra extremidade do fio pelo interior da caneta (que servirá de suporte) e prenda-o;

– acenda a lamparina e pegue a caneta com o aro, sem a bola e coloque-a sobre a lamparina por mais ou menos dois minutos;

– retire a lamparina e em seguida passe a bolinha pelo aro;

(34)

A grande maioria dos corpos sólidos possui três dimensões: altura, comprimento e espessura. Quando aquecido, o sólido sofre expansão em cada uma delas, resultando em um aumento no volume total do corpo (7).

Dilatação Volumétrica

(35)

Dilatação Volumétrica

EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre: • variação da dimensão;

• dimensão inicial;

• variação da temperatura.

Adicionando-se um coeficiente que depende do material do qual o sólido é formado, garantimos a relação entre os termos da equação da

dilatação volumétrica . Im ag em : S E E -P E , red es en ha do a p arti r de im ag em de A uto r Des con he ci do .

(36)

Onde:

• ΔV = Vf – Vi é a variação do volume; • Vi é o volume inicial;

• ΔT = T – To é a variação da temperatura;

• γ é o coeficiente de dilatação volumétrico; γ = β = 3α para uma mesma substância. Sua

unidade também é o °C-1_. Física , 2ª Série Dilatação Volumétrica ΔV= γ Vi ΔT Assim, obtém-se: 2 3

(37)

(38)

DILATAÇÃO LINEAR

L - Lo = Lo .  . t

(39)

DILATAÇÃO

SUPERFICIAL

S = So .  . t

S - So = So .  . t

S - So = So . 2  . t

(40)

V - Vo = Vo . 3  . t

DILATAÇÃO

VOLUMÉTRICA

V = Vo .  . t

(41)

Os líquidos, assim como os sólidos, sofrem dilatações ao serem

aquecidos. Uma vez que não têm forma própria, fato este devido à gravidade, adquirem a forma do recipiente . Se o líquido estivesse livre da atração gravitacional (no espaço, por exemplo) obteria a forma de uma esfera, pois nessa geometria há a menor área de superfície para um determinado volume.

Dilatação dos Líquidos

A gota, uma pequena porção de água, costuma obter formato esférico

(42)

Dilatação dos Líquidos

Ao se ver o conjunto recipiente + líquido ser aquecido, tem-se a sensação de que apenas o líquido teve seu volume

aumentado. Mas, na verdade, ambos os corpos, em diferentes estados físicos, sofrem dilatação. Como o líquido tem mais facilidade de absorver calor, sofre uma maior variação de volume do que o recipiente sólido. O que se observa é a

dilatação aparente (ΔV_aparente) do líquido.

(43)

Veja na tabela abaixo, o coeficiente de

dilatação de alguns líquidos, medido

em

o

C

-1

Água 1,3 . 10

-4

Mercúrio 1,8 . 10

-4

Glicerina 4,9 . 10

-4

Benzeno 10,6 . 10

-4

Álcool etílico 11,2 . 10

-4

Acetona 14,9 . 10

-4

Petróleo 10 . 10

-4

(44)

Em países onde os invernos são rigorosos,

muitas

pessoas

deixam

suas

torneiras

gotejando para não permitir que a água

contida no encanamento se congele, devido ao

pequeno fluxo, e os canos arrebentem.

(45)

Dilatação dos líquidos

Para saber sua dilatação real (ΔV_líquido), precisa-se adicionar a

dilatação do recipiente (ΔV_recipiente), e para isso, deve-se

conhecer os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e do recipiente. A dilatação real do líquido é, portanto, a dilatação

aparente, somada à dilatação do recipiente.

ΔV_líquido= ΔV_aparente + ΔV_recipiente

Im ag em : S E E -PE , redes enhad o a par tir de im ag em de A uto r Des con he ci do .

(46)

Comportamento anômalo

da água

No intervalo entre 4ºC e 0ºC a ÁGUA se comporta de maneira diferente das demais substâncias, pois ao reduzir de 4ºC a 0ºC quebram-se as pontes de hidrogênio fazendo com que as moléculas fiquem mais afastadas e, ao invés de reduzir, o volume faz é aumentar tornando-a menos densa.

(47)

Ao se elevar a temperatura de uma

substância, verifica-se uma dilatação

térmica.

Entretanto, a água, ao ser aquecida de

0

C a 4

0

C, contrai-se, constituindo-se

uma exceção ao caso geral.

(48)

A

ligação

denomina-se

ponte

de

hidrogênio

. Em conseqüência disso, entre

as moléculas, formam-se grandes vazios,

aumentando o volume externo (aspecto

(49)

Quando a água é aquecida de 0

o

C a

4

o

C ocorre uma contração. de

4

o

C a 100

o

C, a água dilata-se

normalmente.

(50)

(51)

Então, a 4

o

_{C, tem-se o menor volume para a água}

e, consequentemente, a maior densidade da água no

estado líquido.

Observação:

A densidade da água no estado sólido ( gelo ) é

menor que a densidade da água no estado líquido.

(52)

(53)

(54)

(55)

Dilatação dos Gases

Os gases têm ainda mais facilidade de absorver calor que os líquidos. Por

isso, são substâncias comumente utilizadas em experimentos

termodinâmicos. Para que os balões possam levantar voo, por exemplo, o gás que preenche o seu conteúdo deve ser aquecido. A expansão volumétrica é tão intensa, que a densidade do gás dentro do balão torna-se menor que a densidade do ar da atmosfera, fazendo com que o balão comece a flutuar.

Imagem: Joedeshon /

(56)

• ATIVIDADE

• Objetivo: explicitar o

conceito de dilatação

dos líquidos e gases;

• Material: 2 recipientes

de vidro, 2 bolas de

encher, um Becker

com água quente e

outro com água fria.

(57)

• Procedimentos:

• prenda as bolas de encher na borda dos

recipientes de vidro. Coloque um deles na

água quente e o outro na água fria;

• observe o fenômeno termodinâmico e

explique as causas do ocorrido.

(58)

Bibliografia

• Gonçalves Filho, A.; Toscano, C. Física para o ensino médio. 1. ed. São Paulo:Scipione, 2002. • Arribas, S. D. Experiências de física na escola. 4. ed. Passo Fundo: Universitária, 1996.

•Sites:

www.if.ufrgs.br/cref/leila/dilata.htm

http://www.brasilescola.com/fisica/dilatacao-liquidos.htm

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Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso

2 SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de

Autor Desconhecido. Acervo SEE-PE 08/03/2012 5 Powerkites16 / classicalmusic.mzrt@gmail.com / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Railroa d_Tracks.jpg 13/03/2012

6 Hugh Venables / Creative Commons

Attribution-Share Alike 2.0 Generic.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Energy _infrastructure_-_geograph.org.uk_-_1080396.jpg 08/03/2012 7, 8, 10, 11, 13, 14, 16, 18 e 19

SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

Acervo SEE-PE 08/03/2012

21 Vlieg / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Waterd

ruppel_op_blad.JPG

08/03/2012

22 Jorge Barrios / Public Domain. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glass_o

f_Water.JPG

08/03/2012

Autor Desconhecido.

24 Joedeshon / Creative Commons Attribution

2.5 Generic.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Great_ pershing_balloon_derby_2005_09_04.jpg

08/03/2012

Autor Desconhecido.