Dilatação térmica

Vemos até aqui que ao fornecer calor a um determinado corpo ele tem sua temperatura aumentada. Agora veremos que o fornecimento de calor também provoca variação nas dimensões desse corpo- é a dilatação térmica. Quando a temperatura de um corpo se eleva, sabemos que há um aumento na agitação de seus átomos ou suas moléculas. Em virtude da maior agitação térmica, a distância média entre essas partículas torna-se maior e, assim, o corpo, como um todo, terá suas dimensões aumentadas, ou seja, o corpo se dilata. 

Dilatação dos sólidos 

Você já reparou que nas construções de edifícios, ou mesmo nas calçadas, há sempre um pequeno vão, a junta de dilatação, preenchido ou não por algum material diferente? Já reparou nas juntas dos trilhos de trens ou percebeu que os fios de eletricidade nos postes das ruas sempre são instalados com uma certa folga, ou seja, nunca totalmente esticados?

Nas estruturas de concreto são projetadas e construídas as juntas de dilatação. Isso permite que o concreto se expande e se contraia mais livremente em razão das variações de temperatura, reduzindo, assim, a possibilidade de formação de rachaduras.

Os cabos de uma rede elétrica aérea apresentam folgas entre os postes ou torres para evitar uma tração excessiva ao se contraírem quando a temperatura cai, podendo causar ruptura dos fios e interrupção no fornecimento de energia, formando assim "barrigas" entre uma torre e outra. Quando aquecemos um corpo o volume aumenta. Há situações, entretanto, em que a variação de apenas uma das dimensões é mais significativa que a variação do volume do corpo como um todo. É o caso dos fios no poste ou dos trilhos do trem, em que a variação de seu comprimento pode ser mais crítica do que o aumento de seu volume. Quando consideramos a variação de apenas uma das dimensões em função da variação da temperatura, tratamos da dilatação linear. Quando a variação da área superficial dos corpos com a variação de sua temperatura, lidamos com a dilatação superficial. Quando a variação volumétrica do corpo (três dimensões) com a variação de sua temperatura, como a água aquecida transbordando da vasilha, consideramos a dilatação volumétrica.

Então a dilatação dos corpos depende de três fatores:

• do material que constitui o corpo;
• das dimensões iniciais do corpo;
• da variação de temperatura.

Dilatação linear

Dilatação linear é aquela em que é mais relevante a variação de uma única dimensão do corpo com a variação de sua temperatura. Para estudar a dilatação linear, consideremos uma barra metálica de comprimento inicial Lo à temperatura inicial T0. Aumentando a temperatura da barra para T seu comprimento passa a L.

Experimentalmente, verificou-se que a variação do comprimento depende do tipo de material que constitui a barra e que é diretamente proporcional ao comprimento inicial e à variação de temperatura. 

O coeficiente de dilatação linear é uma característica de cada material e representa numericamente a dilatação sofrida por unidade de comprimento da barra quando sua temperatura aumentar um grau.

Dilatação superficial 

Experimentalmente, verifica-se que a variação da área depende do tipo de material que constitui a superfície e que é diretamente proporcional à área inicial e a variação de temperatura.

Dilatação volumétrica

A variação do volume é diretamente proporcional ao volume inicial. A variação de temperatura depende do tipo de material de que é feito o cubo.

Sendo o coeficiente representado pela seguinte relação:

Aplicações da dilatação

1)-se  colocar água fervente num copo de vidro comum, ele pode trincar. Contudo, quando fazemos isso com um copo de vidro refratário, o mesmo não ocorre, pois o copo de vidro comum não tem boa condutividade térmica, ou seja, seu coeficiente de dilatação volumétrica é baixo. Por conta disso, quando é colocado líquido muito quente nesse tipo de copo, a dilatação ocorre mais rapidamente na parede interna, que está em contato com o líquido, de que na parede externa, que não sofre a mesma dilatação, provocando o trincamento. Já nos copos de vidro refratário as dilatações nas paredes internas e externas ocorrem praticamente ao mesmo tempo, por sua maior condutividade térmica, ou seja, seu coeficiente de dilatação volumétrica é maior e mais apropriado para suportar o choque térmico dos líquidos aquecidos. 

2) Entre dois trilhos de uma estrada de ferro são deixadas pequenas separações, denominadas juntas de dilatação. Se isto não fosse feito, em um dia muito quente os trilhos, ao se dilatarem, poderiam dar origem a enormes forças que provocariam deformação nas linhas férreas.

3) Quando aquecemos um anel metálico, o material de que ele é feito se dilata e o valor de seu perímetro aumenta. Em virtude disso, a área limitada pelo anel torna-se maior. O mesmo ocorre com uma placa se dilata, provocando um aumento na área do orifício. De maneira semelhante, o volume interno de um recipiente aumenta quando ele se dilata ao ser aquecido. Esses fatos costumam ser utilizados por muitas pessoas quando não conseguem retirar a tampa de uma garrafa. 

4) Uma lâmina bimetálica é constituída de duas lâminas de materiais diferentes- por exemplo, ferro e latão- unidas firmemente. Na temperatura ambiente, as lâminas são planas e possuem as mesmas dimensões. Quando é aquecida, como os dois materiais possuem coeficientes de dilatação diferentes, uma das lâminas se dilata mais que a outra. Essa propriedade da lâmina bimetálica é muito usada para provocar abertura e fechamento automático de circuitos elétricos. 

Dilatação dos líquidos

Como os líquidos possuem propriedade própria, adaptando-se sempre ao volume dos recipientes que os contêm, estuda-se a dilatação volumétrica. Ao fazê-lo, devemos levar em conta também a dilatação do recipiente que contém, uma vez que parte  do calor que aquece o líquido é absorvido pelo recipiente que tem suas dimensões modificadas ao dilatar-se.

De maneira geral os líquidos dilatam mais que os sólidos ao serem igualmente aquecidos. Pensando especialmente no aquecimento de um líquido contido num recipiente, desde a temperatura inicial até a temperatura final, o nível atingido pelo líquido no interior do recipiente é menor do que aquele que atingiria se o recipiente não dilatasse. Chamaremos esse volume aparente de Vap. Se o recipiente não dilatasse, o líquido atingiria um nível maior e o seu volume real seria Vreal na temperatura T. A dilatação aparente é a observada e a dilatação real é a que o líquido sofre de fato. Para medir a dilatação aparente de um líquido, vamos considerar um recipiente totalmente cheio de um líquido à temperatura inicial de To. Aumentando-se a temperatura do conjunto (recipiente + líquido) até uma temperatura T, nota-se que a parte do líquido extravasa. O volume extravasado é exatamente a dilatação aparente.

A dilatação real do líquido é dada pela soma da dilatação aparente do líquido e da dilatação volumétrica sofrida pelo recipiente. 

Substituindo os valores nessa equação obtemos a relação entre os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e do material do recipiente. 

Yreal = Yap + Yrecip

Dilatação da água

Em geral, elevando-se a temperatura de uma substância, ocorre um aumento de seu volume. Com a água entre 0ºC e 4ºC ocorre o fenômeno inverso, isto é, com o aumento de temperatura há diminuição de volume, a partir de 4ºC, seu volume volta a aumentar com o aumento da temperatura. A 4ºC a densidade da água atinge o seu valor máximo, pois seu volume nessa temperatura é mínimo. A dilatação anômala da água é fundamental para preservação da vida nas regiões de clima frio, em que as águas superficiais se congelam durante o inverno. A camada superficial de gelo, que é um isolante térmico, impede o congelamento das águas mais profundas, permitindo a sobrevivência da fauna e da flora aquáticas.

O gelo é um bom isolante térmico porque sua estrutura cristalina aprisiona ar no seu interior, e ar tem baixo coeficiente de condutibilidade. A formação da camada de gelo superficial pode ser explicada considerando-se a camada superior da água, em contato com o ar frio, começa a resfriar e, consequentemente, há redução de seu volume. Com isso, a densidade da água aumenta, e essa porção de água passa para o fundo, sendo substituída por uma camada menos densa. Esse processo se mantém até que toda a massa de água atinja 4ºC. O processo de resfriamento continua, por causa do contato com o ar frio, só que, ao contrário do que ocorria antes, ao ceder calor para o ar frio o volume da água aumenta, tornando essa camada de água menos densa que as demais fazendo que ela flutue. Continuando o resfriamento, a água superficial torna-se gelo ao atingir 0ºC.