Dilatação Térmica

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Dilatação térmica

Aumento das dimensões geométricas de um corpo resultante da elevação de sua temperatura.

Causa microscópica da dilatação

O aumento da energia térmica eleva a agitação molecular, ampliando a distância média entre os átomos.

Contração térmica

Diminuição das dimensões de um corpo provocada pela redução de sua temperatura.

Dilatação linear

Dilatação térmica em que a variação predominante ocorre em apenas uma dimensão (comprimento).

Fórmula da dilatação linear

ΔL = L0 . α . ΔT (ou ΔL = L0 . α . Δθ).

Comprimento final (dilatação linear)

L = L0 . (1 + α . ΔT) ou L = L0 + ΔL.

Coeficiente de dilatação linear (α)

Propriedade que indica o quanto o comprimento de um material varia por unidade de temperatura.

Unidade usual de α no SI

Grau Celsius recíproco (°C⁻¹) ou Kelvin recíproco (K⁻¹).

Dilatação superficial

Dilatação térmica em que a variação se destaca em duas dimensões (área).

Fórmula da dilatação superficial

ΔA = A0 . β . ΔT (ou ΔS = S0 . β . Δθ).

Área final (dilatação superficial)

A = A0 . (1 + β . ΔT) ou A = A0 + ΔA.

Coeficiente de dilatação superficial (β)

Constante do material que mede a variação fracionária de área por variação de temperatura.

Relação entre β e α para sólidos isotrópicos

β = 2α, pois a expansão ocorre igualmente em duas direções perpendiculares.

Dilatação volumétrica

Dilatação térmica que considera a variação nas três dimensões do corpo (volume).

Fórmula da dilatação volumétrica

ΔV = V0 . γ . ΔT.

Volume final (dilatação volumétrica)

V = V0 . (1 + γ . ΔT) ou V = V0 + ΔV.

Coeficiente de dilatação volumétrica (γ)

Constante que quantifica a expansão relativa do volume por grau de variação térmica.

Relação entre γ e α para sólidos isotrópicos

γ = 3α, pois a expansão espacial ocorre igualmente em três dimensões.

Relação de proporção: α, β e γ

α/1 = β/2 = γ/3.

Material isotrópico

Aquele cujas propriedades físicas, incluindo a expansão térmica, são idênticas em todas as direções.

Material anisotrópico

Aquele que apresenta diferentes taxas de dilatação térmica dependendo do eixo espacial considerado.

Dilatação de orifícios e cavidades

Um furo ou cavidade em um sólido dilata como se fosse preenchido pelo mesmo material da peça.

Lâmina bimetálica

Par de tiras metálicas com coeficientes de dilatação distintos unidas lado a lado.

Funcionamento da lâmina bimetálica

Ao aquecer, a lâmina curva-se em direção ao metal de menor coeficiente de dilatação térmica.

Aplicação prática da lâmina bimetálica

Termostatos, disjuntores térmicos e interruptores de segurança para controle de temperatura.

Junta de dilatação

Espaço deixado entre placas de concreto ou trilhos para permitir expansão sem causar deformação ou ruptura.

Dilatação aparente de líquidos

Volume de líquido que transborda de um recipiente aquecido devido à diferença de expansão de ambos.

Fórmula da dilatação aparente

ΔVreal = ΔVaparente + ΔVrecipiente.

Relação dos coeficientes em líquidos

γreal = γaparente + γrecipiente.

Comportamento anômalo da água

Entre 0 °C e 4 °C, a água líquida se contrai ao ser aquecida em vez de se expandir.

Densidade máxima da água

Ocorre a aproximadamente 4 °C sob pressão padrão de 1 atm.

Importância biológica da anomalia da água

Permite que lagos congelem apenas na superfície, preservando a vida aquática no fundo a cerca de 4 °C.

Variação da densidade com a temperatura

d = d0 / (1 + γ . ΔT), indicando que em geral a densidade diminui quando a temperatura sobe.

Tensão térmica

Força interna por unidade de área gerada quando um corpo tenta se dilatar mas é impedido por vínculos fixos.