Dilatação térmica

Explicamos o que é dilatação térmica, os tipos que existem, e damos vários exemplos

Dilatação térmica da água

O que é dilatação térmica?

O Dilatação térmica o Expansão térmica é o aumento nas dimensões dos corpos quando eles esquentam. Isso acontece com quase todos os materiais, exceto com alguns que se expandem quando congelam, como água e ácido acético, por exemplo.

A explicação do fenômeno está na agitação térmica das partículas. Segundo a teoria cinética, as moléculas que constituem as substâncias não estão em repouso, mas em movimento permanente.

Em sólidos, as partículas oscilam em torno de um ponto fixo, mas aumentando a temperatura, a amplitude da oscilação cresce e, como conseqüência, o objeto se expande.

Essa propriedade dos materiais de expansão com a temperatura é usada em muitas aplicações, por exemplo, no fluido e tiras bimetálicas, elas são dobradas de uma certa maneira, aumentando a temperatura e, dessa maneira, os circuitos podem ser abertos ou fechados.

No entanto, às vezes a dilatação térmica causa inconveniência, como no caso de resinas usadas para tratar a cárie dentária. Essas resinas se expandem com calor mais rápido que os dentes, causando desconforto quando as bebidas quentes são ingeridas.

Se a expansão térmica não for levada em consideração ao fazer o design, a peça ou o objeto podem perder a funcionalidade quando, por algum motivo, a temperatura aumenta.

Tipos de dilatação térmica

Esses trilhos ferroviários são construídos deixando uma lacuna ou lacuna, para que a dilatação térmica não causa tensões internas que deformam os trilhos

A maioria dos materiais se expande ao aquecer, mas alguns fazem exatamente o oposto; portanto, em princípio, existem dois tipos de expansão térmica:

• O mais frequente, que ocorre quando o Material aumenta simplesmente suas dimensões com a temperatura e é chamado dilatação qualquer Expansão térmica.
• Expansão térmica negativa, Se a substância encolhe os ombros quando.

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De acordo com as dimensões predominantes no objeto, a expansão térmica pode ser linear, superficial ou volumétrico. Por exemplo, se você tiver um fio ou barra fino, o objeto é prolongado e a dilatação é linear, pois o comprimento é modificado principalmente.

Por outro lado, quando uma folha fina é aquecida, o que aumenta é sua área superficial, enquanto um objeto tridimensional aumenta seu volume. Para cada um desses casos, há uma equação simples que é atendida em uma boa faixa de temperatura.

1. Dilatação linear

A mudança no comprimento de uma haste fina, barra ou fio é indicada como ΔL e é diretamente proporcional à mudança de temperatura Δt e o comprimento original l_qualquer:

ΔL = α⋅L_qualquerΔt

Onde:

• ΔL = Comprimento final - Comprimento inicial = L_F - eu_qualquer
• Δt = temperatura final - temperatura inicial = t_F - T_qualquer
• α é a constante de proporcionalidade, chamada Coeficiente de expansão linear , positivo se o comprimento aumentar com a temperatura.

Os valores de α para diferentes substâncias, em unidades inversas de temperatura, estão quase sempre a 20 ºC, embora o valor permaneça constante em uma boa faixa de temperatura.

A equação anterior pode ser reescrita para calcular diretamente o comprimento final:

eu_F = L_qualquer + αL_qualquerΔt = l_qualquer(1 + αΔt)

2. Dilatação superficial

Análogo à equação anterior, para uma lâmina com a superfície inicial s_qualquer , Pode ser demonstrado que a nova superfície S_F É dado por:

S_F = S_qualquer + 2αs_qualquer Δt

3. Dilatação volumétrica

Finalmente, para um objeto de volume inicial V_qualquer , O novo volume V_F é:

V_F = V_qualquer + 3α v_qualquer Δt

Exemplos de dilatação térmica

Ar quente em um balão

O ar dentro do globo se expande quando aquecido. É conveniente não trazê -lo muito perto da chama

Ao aquecer o ar dentro de um balão, ele infla, porque o gás dentro se expande por causa do aumento da temperatura. É facilmente verificado cobrindo uma garrafa de vidro com um balão esvaziado, que é imerso em água quente. Logo é visto que o balão começa a inflar.

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Articulações de expansão nas calçadas e estradas

Dentes -Conselho de expansão em uma ponte de concreto

Na construção de calçadas e rotas de tráfego, é deixada uma margem para as juntas de expansão, consistindo de uma separação entre as lajes para que, quando a temperatura aumenta, elas não racham.

Nas rodovias e pontes de concreto, os espaços são deixados com material flexível ou com juntas de expansão na forma de dentes que se elevam, deixando espaços. Dessa maneira, há uma margem para o concreto se expandir e contrair com as mudanças de temperatura.

Fraturas no vidro

Rachaduras de vidro antes de mudanças repentinas de temperatura. Se um vidro frio é preenchido com água muito quente, o material aquece, causando expansão em alguns lugares, o que causa tensões internas que levam a fraturas.

Ao contrário do que se pensa, as rachaduras de vidro grossas mais facilmente do que o copo fino. É devido ao fato de que quanto mais fino o material, mais rápido o calor é distribuído, para que não haja tempo para as tensões internas aparecer.

Congelamento de água

A água é um exemplo de expansão térmica negativa, ou seja, se expande quando resfriamento, um fenômeno que ocorre entre 0 e 4 ºC. Como se sabe, ao congelar uma garrafa de água completamente cheia, ela racha.

No entanto, essa qualidade da água torna possível para o fundo de rios e lago.

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Mentindo elétrica

Os cabos elétricos não são colocados em linha reta entre dois posts, mas deixando alguma margem para pendurar um pouco, formando uma curva. É porque, quando o tempo fica muito frio, a fiação tende a contrair.

Por outro.

Rebites de aeronaves

Nos aviões, eles são usados ​​em alumínio fabricados para ingressar nas peças e sempre são maiores que o buraco correspondente. Então, antes de colocá -los em seu lugar, você precisa contratá -los, resfriando -os com gelo seco.

Existem muitas razões pelas quais os rebites são preferidos uma vez de soldagem para aviões. Por exemplo, é difícil soldar o tipo de alumínio usado na fabricação de aeronaves e, mesmo que seja alcançado, a soldagem acaba enfraquecendo o material. Por outro lado, é mais fácil inspecionar e reparar os rebites do que as soldas.

Exercício resolvido

Uma haste fina feita de medidas de bronze 0.5 m de comprimento a 20.0 ºC. Calcule o comprimento da haste quando aquecido a 50.0 ºC, sabendo que o coeficiente de dilatação linear do bronze a 20 ºC é: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Solução

Como a barra é fina, a equação para expansão linear se aplica:

eu_F = L_qualquer (1 + αΔt)

Basta substituir os valores que aparecem na declaração:

Δt = (50,0 −20,0) ºC = 30,0 ºC

eu_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) M = 0.500285 m