O que é dilatação volumétrica? (Com exemplos)

A dilatação volumétrica é um fenômeno físico que implica uma variação nas três dimensões de um corpo.O volume ou as dimensões da maioria das substâncias aumentam quando sujeitos ao calor; Este é um fenômeno conhecido como expansão térmica, no entanto, também existem substâncias que se contraem quando aquecidas.

Embora as alterações de volume sejam relativamente pequenas para os sólidos, elas são de grande importância técnica, principalmente nas situações em que você deseja unir materiais que se expandem de maneira diferente.

A forma de alguns sólidos sofre distorção quando aquecida e pode se expandir em algumas direções e contrair em outras. No entanto, quando há apenas dilatação em um determinado número de dimensões, há uma classificação para tais expansões:

  • A dilatação linear ocorre quando a variação predomina em uma dimensão específica, como comprimento, largura ou altura do corpo.
  • A dilatação superficial é aquela em que a variação predomina em duas das três dimensões.
  • Finalmente, a dilatação volumétrica implica uma variação nas três dimensões de um corpo.

Conceitos básicos relacionados à expansão térmica

Energia térmica

A matéria é composta de átomos que estão em movimento contínuo, em movimento ou em vibração. A energia cinética (ou movimento) com a qual os átomos se movem é chamada energia térmica, quanto mais rápido eles se movem, mais energia térmica eles possuem.

Calor

Calor é a energia térmica transferida entre duas ou mais substâncias ou de uma porção de substância para outra em uma escala macroscópica. Isso significa que um corpo quente pode perder parte de sua energia térmica e afetar um corpo próximo a ele.

A quantidade de energia térmica transferida depende da natureza do corpo próximo e do meio que os separa.

Temperatura

O conceito de temperatura é fundamental para estudar os efeitos do calor, a temperatura de um corpo é a medida de sua capacidade de transferir calor para outros corpos.

Dois corpos em contato mútuo ou separados por um meio adequado (condutor de calor) estarão na mesma temperatura se não houver fluxo de calor entre eles. Da mesma forma, um corpo X estará a uma temperatura superior à do corpo Y se o calor fluir de X para Y.

Quais são as propriedades básicas da expansão térmica?

Está claramente relacionado a uma mudança de temperatura, quanto maior a temperatura, maior a expansão. Depende também da estrutura interna do material, em um termômetro, a expansão do mercúrio é muito maior que a expansão do vidro que o contém.

Qual é a causa raiz da expansão térmica?

Um aumento na temperatura implica um aumento na energia cinética dos átomos individuais de uma substância. Em um sólido, diferentemente de um gás, átomos ou moléculas estão muito próximos, mas sua energia cinética (na forma de pequenas e rápidas vibrações) separa átomos ou moléculas um do outro.

Essa separação entre átomos vizinhos está aumentando e resulta em um aumento no tamanho do sólido.

Para a maioria das substâncias em condições normais, não há direção preferida na qual a expansão térmica ocorra, e o aumento da temperatura aumentará o tamanho do sólido em uma certa fração em cada dimensão.

Dilatação linear

O exemplo mais simples de dilatação é a expansão em uma dimensão (linear). Experimentalmente, verifica-se que a mudança no comprimento ΔL de uma substância é proporcional à mudança na temperatura ΔT e no comprimento inicial Lo (Figura 1). Podemos representar isso da seguinte maneira:

DL = aLoDT

onde α é um coeficiente de proporcionalidade chamado coeficiente de expansão linear e é característico de cada material. Alguns valores desse coeficiente são mostrados na tabela A.

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O coeficiente de expansão linear é mais alto para materiais que experimentam uma expansão maior para cada grau que aumenta sua temperatura.

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Dilatação da superfície

Quando um plano é levado dentro de um corpo sólido, de modo que esse plano é aquele que sofre expansão térmica (Figura 2), a mudança na área ΔA é dada por:

DA = 2aA0

onde ΔA é a mudança na área inicial Ao, T é a mudança de temperatura e α é o coeficiente de expansão linear.

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Dilatação volumétrica

Como nos casos anteriores, a mudança no volume ΔV pode ser aproximada com a relação (Figura 3). Esta equação é geralmente escrita da seguinte maneira:

DV = bVoDT

onde β é o coeficiente de expansão volumétrico e é aproximadamente igual a 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, são mostrados os valores dos coeficientes de expansão volumétricos para alguns materiais.

O que é dilatação volumétrica? (Com exemplos) 4O que é dilatação volumétrica? (Com exemplos) 5

Em geral, as substâncias se expandem com o aumento da temperatura, a água é a exceção mais importante a essa regra. A água se expande quando sua temperatura aumenta quando é superior a 4 ° C.

No entanto, ele também se expande diminuindo sua temperatura na faixa de 4 ° C a 0 ° C. Este efeito pode ser observado quando a água é colocada dentro de uma geladeira, a água se expande quando congela e é difícil extrair o gelo do seu recipiente devido à referida expansão.

Exemplos

Diferenças na expansão volumétrica podem levar a efeitos interessantes em um posto de gasolina. Um exemplo é o gotejamento de gasolina em um tanque que acaba de ser cheio durante um dia quente.

A gasolina resfria o tanque de aço quando é derramado, e a gasolina e o tanque se expandem com a temperatura do ar circundante. No entanto, a gasolina se expande muito mais rápido que o aço e, assim, escorre para fora do tanque.

A diferença na expansão entre a gasolina e o tanque que a contém pode causar problemas ao ler o indicador do nível de combustível. A quantidade de gasolina (massa) deixada em um tanque quando o indicador atinge o nível de vácuo é muito menor no verão que no inverno.

A gasolina tem o mesmo volume em ambas as estações quando a luz de aviso acende, mas como a gasolina se expande durante o verão, ela tem uma massa menor.

Como exemplo, um tanque de gás de aço cheio com capacidade de 60L pode ser considerado. Se a temperatura do tanque e da gasolina é de 15ºC, quanta gasolina será derramada no momento em que atingirem uma temperatura de 35ºC?

O tanque e a gasolina aumentarão em volume devido ao aumento da temperatura, mas a gasolina aumentará mais que o tanque. Portanto, a gasolina derramada será a diferença nas mudanças de volume. A equação de expansão volumétrica pode ser usada para calcular alterações de volume:

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O volume derramado pelo aumento da temperatura é então:

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Combinando essas 3 equações em uma, você tem:

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A tabela 2 mostra os valores do coeficiente de expansão volumétrico, substituindo valores:

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Embora essa quantidade de gasolina derramada seja relativamente insignificante em comparação com um tanque de 60 L, o efeito é surpreendente, pois a gasolina e o aço se expandem muito rapidamente.

Bibliografia

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Expansão térmica de sólidos ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Física de Estado Sólido: Uma Introdução aos Princípios da Ciência dos Materiais Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Physics, Volume 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elementos da física clássica Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Calor e Termodinâmica. Editorial Aguilar, 1979.

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