Dilatações Térmicas

E.E.E.F.M.Dona Helena Guilhon
Professor: Rogerio Silva
Disciplina: Física
Assunto: Dilatação Térmica
DILATAÇÃO TÉRMICA
Uma variação de temperatura pode alterar o valor das grandezas de um
corpo, tais como: a pressão de um gás, cor e um metal, a resistência elétrica de
um condutor de eletricidade, a altura de uma coluna de mercúrio, etc. (Na
construção de termômetros, essas grandezas são utilizadas como grandezas
termométricas.)
Você está iniciando agora o estudo da dilatação térmica, que trata da
alteração das dimensões de um corpo devido à variação de temperatura. Além da
construção de termômetros, a dilatação térmica permite outras inúmeras
aplicações, entre as quais podemos citar a lâmina bimetálica em pregada em
dispositivos de segurança contra incêndio e em chaves automáticas (relé
termostático) que desligam um circuito elétrico quando ocorre uma elevação
indesejável da temperatura.
Quando a temperatura se eleva, a lâmina bimetálica se encurva, devido às
dilatações que ocorrem em suas faces, constituidas por metais diferentes.
Uma outra aplicação é a rebitagem de chapas metálicas. As experiências
mostram que os orifícios das chapas aumentam quando sofrem elevação de
temperatura. Os orifícios, com diâmetro menor que dos rebites, são aquecidos e
sofrem dilatação, permitindo assim os encaixes. Quando as chapas se esfriam, os
orifícios se contraem e se prendem firmemente aos rebites.
Muitas vezes, porém, a dilatação térmica dos corpos pode causar danos. É
o que ocorre, por exemplo, quando os trilhos de uma ferrovia ficam deformados
após uma grande elevação de temperatura. Nesse caso, as juntas de dilatação
(pequenos espaços entre os trechos de um trilho) foram insuficientes.
1. DILATAÇÃO LINEAR
A figura mostra uma barra metálica, em duas temperaturas diferentes:
Verifica-se, experimentalmente, que:
A constante de proporcionalidade que transforma essa relação em uma
igualdade, é o coeficientede dilatação linear
do material com o qual a peça
foi construída. Desse modo temos:
2. DILATAÇÃO SUPERFICIAL
Verifica-se, também experimentalmente, que o acréscimo
na área de uma
superfície que apresenta variações de temperatura é diretamente proporcional à
sua área inicial So e à
correspondente variação de temperatura
.
A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação superficial
tal que
teremos:
3. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
Utilizando-se o mesmo raciocínio anterior e introduzindo-se o coeficiente de dilatação volumétrica ,
tal que
=3
teremos:
4. DILATAÇÃO ANÔMALA DA ÁGUA
A maioria dos líquidos se dilatam com o aumento da temperatura e se contraem
com a redução da temperatura, mas a ÁGUA constitui uma anomalia do
comportamento geral entre 0ºC e 4ºC, vejamos:
A partir de 0ºC a medida que a temperatura se eleva, a água se contrai, porém
essa contração cessa quando a temperatura é de 4ºC; a partir dessa temperatura
ela começa a se dilatar.
Sendo assim, a água atinge um volume mínimo a 4ºC e nesta temperatura a sua
densidade é máxima.
5. DILATAÇÃO DE CORPOS "OCOS"
"Corpos ocos se dilatam como se não fossem ocos."
Exemplos:
a) Um anel de aço, ao se dilatar, comporta-se como um disco de aço.
b) Um furo em uma chapa de ferro se dilata, quando aquecido, como se fosse
feito de ferro
.
c) Um cubo oco de cobre se dilata, quando aquecido, como se fosse sólido.
6. DILATAÇÃO APARENTE DOS LÍQUIDOS
"Na maioria das vezes os líquidos se dilatam muito mais do que os recipientes
que os contém."
Como conseqüência, se em uma certa temperatura o recipiente estiver
completamente cheio, ao aquecermos o conjunto haverá um derramamento de
parte do líquido contido no recipiente. Ao volume de líquido derramado damos o
nome de DILATAÇÃO APARENTE DO LÍQUIDO
CALORIMETRIA: MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO
1. CALOR E MUDANÇA DE ESTADO
Toda matéria, dependendo da temperatura, pode se apresentar em três estados:
sólido, líquido e gasoso.
As possíveis mudanças de estado, quando uma substância recebe ou cede calor,
estão esquematizadas na figura abaixo:
Quando, à pressão constante, uma substância recebe (absorve) calor sensível,
sua temperatura aumenta: se o calor é latente, ocorre mudança de estado,
mantendo-se a mesma temperatura.
O gráfico ilustra a variação da temperatura de uma substância em função do calor
absorvido pela mesma.
IMPORTANTE:
1) O termo sublimação é usado para designar a mudança sólidoÛ gasoso. Alguns
autores classificam a passagem sólidoè gasoso como sublimação direta ou 1ª
sublimação, e a passagem gasosoè sólido como sublimação inversa ou 2ª
sublimação.
Na CNTP o melhor exemplo de sublimação é o da naftalina, que passa do estado
sólido diretamente para o gasoso.
2)A mudança líquido é gasoso, que chamamos vaporização, deve ser
subdividida em:
a) Evaporação: é um processo espontâneo e lento, que se verifica a uma
temperatura qualquer e depende da área de contato.
Na evaporação, quanto maior a área de contato mais rapidamente se
processa a passagem do estado líquido para o gasoso.
b) Ebulição: é um processo que se verifica a uma determinada temperatura (a
pressão tem influência sobre a temperatura, veremos posteriormente). Logo é um
processo forçado. É mais rápido que a evaporação.
c) Calefação: ocorre quando uma massa de líquido cai sobre uma superfície
aquecida a uma temperatura superior a temperatura de ebulição do líquido.
A calefação é um processo quase instantâneo. Ao observarmos gotas d’água
caírem sobre uma chapa bem quente, notamos que as gotas vaporizam
rapidamente emitindo um chiado característico.
2. CALOR LATENTE
Calor latente de mudança de estado L é a quantidade de calor, por unidade de
massa, que é necessário fornecer ou retirar de um dado corpo, a uma certa
pressão, para que ocorra a mudança de estado, sem variação de temperatura.
Matematicamente:
Da definição de calor latente resulta sua unidade de medida: cal/g , J/g, KJ/kg,
BTU/lb, etc.
A quantidade de calor envolvida na mudança de estado decorre da definição de
calor latente.
IMPORTANTE:
· À pressão constante, toda substância sofre mudança de estado a uma
determinada temperatura.
· À pressão constante, durante a mudança de estado a temperatura se
mantém constante.
· Nas mesmas condições, a quantidade de calor recebida (absorvida) ou
cedida (liberada) por uma dada substância, durante a mudança de estado,
é, em valor absoluto, igual para a unidade de sua massa.
Exemplo:
calor latente de fusão do gelo: LF = 80cal/g
calor latente de solidificação da água: LS = - 80 cal/g
O sinal (+) refere-se à quantidade de calor recebida (absorvida) pela substância, e
o sinal (-) à quantidade de calor cedida (liberada) pela mesma.
3. INFLUÊNCIA DA PRESSÃO
A pressão influi sobre as temperaturas em que ocorrem as mudanças de estado
físico.
3.1 INFLUÊNCIA NA FUSÃO
Quase todas as substâncias, ao fundirem, aumentam de volume. No entanto
existem algumas exceções, como a água, a prata, o antimônio, o bismuto,
que diminuem de volume ao fundirem.
A pressão influencia a temperatura de fusão desses dois grupos de maneira
distinta, vejamos.
Tudo o que foi dito sobre a temperatura de fusão também é válido para a
temperatura de solidificação.
3.2 INFLUÊNCIA NA EBULIÇÃO
A influência da pressão sobre a ebulição é muito mais simples que sobre a fusão,
pois a regra agora é única: