O 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 submetidas ao calor; Este é um fenômeno conhecido como expansão térmica, porém também existem substâncias que se contraem quando aquecidas.
Embora as mudanças de volume sejam relativamente pequenas para sólidos, elas são de grande importância técnica, especialmente em situações em que você deseja unir materiais que se expandem de maneira diferente..
A forma de alguns sólidos é distorcida quando aquecido e pode se expandir em algumas direções e se contrair em outras. Porém, quando há apenas dilatação em um determinado número de dimensões, existe uma classificação para tais expansões:
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A matéria é composta de átomos que estão em movimento contínuo, movendo-se ou vibrando. A energia cinética (ou movimento) com a qual os átomos se movem é chamada de energia térmica, quanto mais rápido eles se movem, mais energia térmica eles têm.
Calor é a energia térmica transferida entre duas ou mais substâncias ou de uma porção da substância para outra em uma escala macroscópica. Isso significa que um corpo quente pode desistir de 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 ambiente que os separa..
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 em uma temperatura mais alta do que um corpo Y se o calor fluir de X para Y.
Está claramente relacionado a uma mudança na temperatura, quanto mais alta a temperatura, maior a expansão. Depende também da estrutura interna do material, em um termômetro a expansão do mercúrio é muito maior do que a expansão do vidro que o contém..
Um aumento na temperatura implica um aumento na energia cinética dos átomos individuais de uma substância. Em um sólido, ao contrário de um gás, os átomos ou moléculas estão próximos, mas sua energia cinética (na forma de vibrações pequenas e rápidas) separa os átomos ou moléculas uns dos outros..
Essa separação entre átomos vizinhos se torna cada vez maior e resulta em um aumento no tamanho do sólido..
Para a maioria das substâncias em condições normais, não existe uma direção preferida na qual ocorre a expansão térmica, e o aumento da temperatura aumentará o tamanho do sólido em uma certa fração em cada dimensão..
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 forma:
DL = aLoDT
onde α é um coeficiente de proporcionalidade denominado coeficiente de expansão linear e é característico de cada material. Alguns valores deste coeficiente são mostrados na tabela A.
O coeficiente de expansão linear é mais alto para materiais que experimentam maior expansão a cada grau Celsius de aumento de temperatura..
Ao tomar um plano dentro de um corpo sólido, de forma que este plano seja 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 na temperatura e α é o coeficiente de expansão linear.
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 volumétrica e é aproximadamente igual a 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, os valores dos coeficientes de expansão volumétrica para alguns materiais são mostrados.
Em geral, as substâncias se expandem com o aumento da temperatura, sendo a água a exceção mais importante a essa regra. A água se expande com o aumento de sua temperatura quando é superior a 4ºC..
No entanto, ele também se expande quando sua temperatura diminui na faixa de 4 ° C a 0 ° C. Este efeito pode ser observado quando a água é colocada no refrigerador, a água se expande quando congela e é difícil extrair o gelo do seu recipiente devido à referida expansão..
Diferenças na expansão volumétrica podem levar a efeitos interessantes em um posto de gasolina. Um exemplo é a gasolina pingando em um tanque que acaba de ser abastecido em um dia quente..
A gasolina resfria o tanque de aço quando é despejada, e tanto a gasolina quanto o tanque se expandem com a temperatura do ar ao redor. No entanto, a gasolina se expande muito mais rápido do que o aço, causando um vazamento para fora do tanque..
A diferença de expansão entre a gasolina e o tanque que a contém pode causar problemas na leitura do medidor de nível de combustível. A quantidade de gasolina (massa) que permanece em um tanque quando o medidor fica vazio é muito menor no verão do que no inverno.
A gasolina tem o mesmo volume nos dois postos quando acende o avisador, mas como a gasolina se expande no verão, tem uma massa menor..
Como exemplo, você pode considerar um tanque de gás cheio de aço, com capacidade de 60L. Se a temperatura do tanque e da gasolina for 15ºC, quanta gasolina será derramada quando atingirem a temperatura de 35ºC?
O tanque e a gasolina aumentarão de volume devido ao aumento da temperatura, mas a gasolina aumentará mais do que o tanque. Portanto, a gasolina derramada será a diferença em suas mudanças de volume. A equação de expansão volumétrica pode então ser usada para calcular as mudanças de volume:
O volume derramado pelo aumento da temperatura é então:
Combinando essas 3 equações em uma, temos:
Da tabela 2 são obtidos os valores do coeficiente de expansão volumétrica, substituindo os valores:
Embora essa quantidade de gasolina derramada seja relativamente insignificante em comparação com um tanque de 60L, o efeito é surpreendente, pois a gasolina e o aço se expandem muito rapidamente..
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