Dilatação Térmica

Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura, o que causa o aumento no grau de agitação de suas moléculas e consequente aumento na distância média entre as mesmas. A dilatação ocorre de forma mais significativa nos gases, de forma intermediária nos líquidos e de forma menos explícita nos sólidos, podendo-se afirmar que: Dilatação nos gases > Dilatação nos líquidos > Dilatação nos sólidos.

CONCEITOS

Temperatura é uma grandeza física pela qual avaliamos o grau de agitação térmica das moléculas de uma substância (sólida, líquida ou gasosa). As escalas utilizadas em tal avaliação podem ser a escala Celsius ou a Kelvin, que são centígrados, ou seja, a diferença entre o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água é igual a cem divisões de escala. Além dessas, existe a escala Fahrenheit.

Calor é a energia térmica em trânsito provocada por diferenças de temperaturas, ou seja, se dois corpos, em temperaturas diferentes, forem postos juntos (contato térmico), a energia térmica do corpo de maior temperatura será transferida espontaneamente para o corpo de menor temperatura. Essa energia deslocada chamamos calor. Conceitualiza-se dois tipos de calor (abreviado pela letra Q): o calor sensível, que é a quantidade de calor que um corpo cede ou absorve, provocando apenas variação de temperatura, e o calor latente ou oculto, que é a quantidade de calor cedida ou absorvida provocando apenas mudança no estado físico.

Existem três formas de transmissão de calor: condução térmica, quando a energia é transportada de molécula a molécula (sem que estas sejam deslocadas), encontrada em sólidos; convecção térmica, que ocorre em substâncias fluidas (líquido+gasoso), e irradiação térmica, que é o calor transferido ou irradiado como ondas eletromagnéticas (ondas de calor, calor radiante). Ocorre, por exemplo, entre o Sol e a Terra. Este fato explica o motivo das garrafas térmicas utilizarem uma camada espelhada de metal e uma aproximação do vácuo. Com a aproximação do vácuo a transferêcia de calor por condução ou convecção será muito reduzida (seria impossível se fosse um vácuo perfeito), e a parte espelhada evita a passagem de calor por irradiação.

COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA 

Fórmula genérica: materiais isotrópicos

Nos materiais isotrópicos pode-se calcular a variação de comprimento, e conseqüentemente de área e volume, em função da variação de temperatura:

•  variação do comprimento em metros (m) ;
•  coeficiente de dilatação linear em 1/Kelvin () ;
•  comprimento inicial em metros (m) ;
•  variação de temperatura em Kelvin (K) ou em graus Celsius (°C).

Nota: Visto que se utiliza uma variação, uma diferença, é indiferente que a unidade de medida da temperatura seja graus Celsius ou Kelvin pois ambas são centigradas. Se o coeficiente de dilatação for dado em Fahrenheit, a temperatura do cálculo deve ser também Fahrenheit.

TIPOS DE DILATAÇÃO

Quanto à dilatação dos corpos, esta é de três tipos, uma vez que existem três estados físicos da matéria (sólido, líquido e gasoso).

Dilatação Linear

Na dilatação linear (uma dimensão). O comprimento de uma barra aumenta linearmente. As barras dos trilhos ferroviários são feitas com um espaçamento para a dilatação não causar problemas. Não que as barras dos trilhos ferroviárias sejam feitas no calor, mas para evitar que, com a dilatação térmica, o trilho seja retorcido, já no inverno, com as baixas temperaturas, os trilhos se "retraem", fazendo com que o espaçamento entre os trilhos aumente, vale lembrar também que a dilatação não é um fenômeno visível, variando de acordo com o material e a temperatura. A dilatação linear é apenas teórica, sendo que para que algo exista ele deve ser tridimensional, numa dilatação a matéria ira dilatar em três dimensões, mas como não é possível calcular essa dilatação, adota-se somente o calculo da dilatação linear.

COEFICIENTES DE DILATAÇÃO LINEAR

Os coeficientes de dilatação linear de algumas substâncias e elementos químicos a seguir indicados aplicam-se à faixa de temperaturas indicada. Quando não indicada presume-se uma temperatura ambiente. Na realidade estes coeficientes variam com a temperatura mas assume-se a sua exatidão na faixa indicada.

Nota: clicando em cada um dos títulos é possível reordenar a tabela.

Substância	α 10^-6(máx.)	α 10^-6(min.)	Faixa de temperaturas
Gálio	120,0		vgv
Índio	32,1
Zinco e suas ligas	35,0	19,0	100 °C-390 °C
Chumbo e suas ligas	29,0	26,0	100 °C-390 °C
Alumínio e suas ligas	25,0	21,0	100 °C-390 °C
Latão	18,0	21,0	100 °C-390 °C
Prata	20,0		100 °C-390 °C
Aço inoxidável	19,0	11,0	540 °C-980 °C
Cobre	18,0	14,0	100 °C-390 °C
Níquel e suas ligas	17,0	12,0	540 °C-980 °C
Ouro	14,0		100 °C-390 °C
Aço	14,0	10,0	540 °C-980 °C
Cimento(concreto)	6,8	11,9	Temp. ambiente
Platina	9,0		100 °C-390 °C
Vidro(de janela)	8,6		20 °C-300 °C
Cromo	4,9
Tungstênio	4,5		Temp. ambiente
Vidro Pyrex	3,2		20 °C-300 °C
Carbono e Grafite	3,0	2,0	100 °C-390 °C
Silício	2,6
Quartzo fundido	0,6

Dilatação superficial

Na dilatação superficial (superfície = área, logo, neste caso temos duas dimensões). A dilatação do comprimento e da largura de uma chapa de aço é superficial. Se um disco ou chapa com um furo central dilatar, o tamanho do furo e da chapa aumentam simultaneamente.

Ou seja, é aquela em que predomina a variação em duas dimensões, isto é, a variação da área.

Fórmula

∆A = β . Ao . ∆θ... ∆s=s

Dilatação volumétrica

Na dilatação volumétrica (calcula-se o volume, logo três dimensões: altura, largura e comprimento). A dilatação de um líquido ou de um gás é volumétrica. O coeficiente de dilatação volumétrica é dado da seguinte forma: Coeficiente de dilatação linear X 3 (o número três representa as dimensões altura, largura e comprimento) encontrando um novo valor que é  utilizado nos cálculos onde se verifica a variação do volume.

Fonte: wikipedia