Expansão Térmica: Coeficiente, Tipos e Exercícios

A expansão térmica é aumentada ou variação de várias dimensões métricas (tais como o comprimento ou volume) que é submetido a um objecto ou corpo físico. Esse processo ocorre devido ao aumento da temperatura ao redor do material. No caso de expansão linear, essas alterações ocorrem em uma única dimensão.

O coeficiente dessa expansão pode ser medido comparando o valor da magnitude antes e depois do processo. Alguns materiais sofrem o oposto de expansão térmica; isto é, torna-se “negativo”. Esse conceito propõe que alguns materiais se contraiam quando expostos a determinadas temperaturas.

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Expansão térmica na água

Quanto aos sólidos, um coeficiente de expansão linear é usado para descrever sua expansão. Por outro lado, um coeficiente de expansão volumétrico é usado para líquidos realizarem os cálculos.

No caso de sólidos cristalizados, se for isométrico, a expansão será geral em todas as dimensões do cristal. Se não for isométrico, diferentes coeficientes de expansão podem ser encontrados ao longo do vidro e ele mudará de tamanho no momento da alteração da temperatura.

Coeficiente de expansão térmica

O coeficiente de expansão térmica (Y) é definido como o raio da mudança pela qual um material passou devido à mudança de temperatura. Este coeficiente é representado pelo símbolo α para sólidos e β para líquidos e é guiado pelo Sistema Internacional de Unidades.

Os coeficientes de expansão térmica variam quando se trata de sólidos, líquidos ou gases. Cada um tem uma peculiaridade diferente.

Por exemplo, a expansão de um sólido pode ser vista ao longo de um comprimento. O coeficiente volumétrico é um dos mais básicos em termos de fluidos e as mudanças são visíveis em todas as direções; Este coeficiente também é usado no cálculo da expansão de um gás.

Expansão térmica negativa

A expansão térmica negativa ocorre em alguns materiais que, em vez de aumentar seu tamanho com altas temperaturas, contraem devido a baixas temperaturas.

Esse tipo de expansão térmica é geralmente observado em sistemas abertos, onde são observadas interações direcionais – como no caso do gelo – ou em compostos complexos – como em alguns zeólitos, Cu2O, entre outros.

Além disso, algumas pesquisas mostraram que a expansão térmica negativa também ocorre em redes de um componente, de forma compacta e com uma interação de força central.

Um exemplo claro de expansão térmica negativa pode ser visto quando adicionamos gelo a um copo de água. Nesse caso, a alta temperatura do líquido no gelo não causa aumento no tamanho, mas seu tamanho é reduzido.

Tipos

Ao calcular a expansão de um objeto físico, deve-se levar em consideração que, dependendo da mudança de temperatura, esse objeto pode aumentar ou contrair seu tamanho.

Alguns objetos não exigem uma mudança drástica de temperatura para alterar seu tamanho, portanto, o valor mostrado pelos cálculos provavelmente será médio.

Como qualquer processo, a expansão térmica é dividida em vários tipos que explicam cada fenômeno separadamente. No caso dos sólidos, os tipos de expansão térmica são expansão linear, expansão volumétrica e expansão de superfície.

Dilatação linear

Na expansão linear predomina uma única variação. Nesse caso, a única unidade que sofre uma alteração é a altura ou a largura do objeto.

Uma maneira fácil de calcular esse tipo de expansão é comparar o valor da magnitude antes da mudança de temperatura com o valor da magnitude após a mudança de temperatura.

Dilatação volumétrica

No caso de expansão volumétrica, a maneira de calculá-lo é comparando o volume do fluido antes da mudança de temperatura com o volume do fluido após a mudança de temperatura. A fórmula para calculá-lo é:

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Dilatação de superfície ou área

No caso de dilatação superficial, o aumento da área de um corpo ou objeto é observado, pois há uma mudança de temperatura a 1 ° C.

Essa dilatação funciona para sólidos. Se você também tiver o coeficiente linear, poderá ver que o tamanho do objeto será 2 vezes maior. A fórmula para calculá-lo é:

A f = A [1 + YA (T f – T )]

Nesta expressão:

γ = coeficiente de expansão da área [° C -1 ]

A = área inicial

A f = área final

T = temperatura inicial.

T f = temperatura final

A diferença entre a dilatação da área e a dilatação linear é que no primeiro você vê uma mudança de aumento na área do objeto, e no segundo a mudança é de uma única unidade de medida (como comprimento ou largura do objeto físico).

Exemplos

Primeiro exercício (dilatação linear)

Os trilhos que compõem o trilho de um trem de aço têm 1500 m de comprimento. Qual será o comprimento no momento em que a temperatura vai de 24 a 45 ° C?

Solução

Dados:

LO (comprimento inicial) = 1500 m

L f (comprimento final) =?

A (temperatura inicial) = 24 ° C

T f (temperatura final) = 45 ° C

α (coeficiente de expansão linear correspondente ao aço) = 11 x 10 -6 ° C -1

Os dados são substituídos na seguinte fórmula:

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No entanto, você deve primeiro conhecer o valor do diferencial de temperatura, a fim de incluir esses dados na equação. Para atingir esse diferencial, a temperatura mais alta deve ser subtraída da mais baixa.

Δt = 45 ° C – 24 ° C = 21 ° C

Depois que esses dados são conhecidos, é possível usar a fórmula acima:

Lf = 1500 m (1 + 21 ° C. 11 x 10 -6 ° C -1 )

Lf = 1500 m (1 + 2,31 x 10 -4 )

Lf = 1500 m (1.000231)

Lf = 1500,3465 m

Segundo exercício (dilatação superficial)

Em uma escola preparatória, uma venda de vidro tem uma área de 1,4 m ^ 2, se a temperatura for de 21 ° C. Qual será a sua área final aumentando a temperatura para 35 ° C?

Solução

Af = A0 [1 + (Tf – T0)]

Af = 1,4 m 2 [1] 204,4 x 10 -6 ]

Af = 1,4 m 2 . 1.0002044

Af = 1.40028616 m 2

Por que a dilatação acontece?

Todo mundo sabe que todo material é composto de várias partículas subatômicas. Alterando a temperatura, aumentando ou diminuindo, esses átomos iniciam um processo de movimento que pode modificar a forma do objeto.

Quando a temperatura aumenta, as moléculas começam a se mover rapidamente devido ao aumento da energia cinética e, portanto, a forma ou o volume do objeto aumenta.

No caso de temperaturas negativas, acontece o oposto; nesse caso, o volume do objeto é geralmente contraído por baixas temperaturas.

Referências

  1. Dilatação linear, superficial e volumétrica – exercícios. Resolvido Recuperado em 8 de maio de 2018, da Fisimat: fisimat.com.mx
  2. Dilatação superficial – exercícios resolvidos. Recuperado em 8 de maio de 2018, da Fisimat: fisimat.com.mx
  3. Expansão Térmica Retirado em 8 de maio de 2018, de Encyclopædia Britannica: britannica.com
  4. Expansão Térmica Recuperado em 8 de maio de 2018, da Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  5. Expansão Térmica Recuperado em 8 de maio de 2018, da Lumen Learning: cursos.lumenlearning.com
  6. Expansão Térmica Retirado em 8 de maio de 2018, do The Physics Hypertextbook: physics.info
  7. Expansão Térmica Recuperado em 8 de maio de 2018, da Wikipedia: en.wikipedia.org.

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