Dilatação

A dilatação é um fenômeno físico que é observado quando há a variação de temperatura em um corpo. Ela pode ser linear, superficial, volumétrica ou nos líquidos.

A dilatação é um fenômeno físico que acontece quando há a variação de temperatura nos corpos. Ela está presente desde os sólidos até nos fluidos. Apesar do fenômeno ser o mesmo, cada caso possui suas especificidades. Veja o que é, quais são os quatro tipos e muito mais sobre esse tema importante da termologia.

O que é dilatação

Esse fenômeno acontece quando há um aumento na temperatura de um determinado corpo. Isso resulta no aumento de suas dimensões. Esse fenômeno acontece porquel no momento da variação da temperatura, o comportamento das moléculas muda. No caso do aumento da energia térmica de um corpo, a agitação das moléculas aumenta e, consequentemente, aumenta a distância entre elas.

Além disso, quando há a diminuição da temperatura, analogamente, há a contração do corpo. Na natureza, todos os processos de aumento ou contração térmica acontecem de maneira tridimensional. Ou seja, esses processos são sempre volumétricos. Contudo, a fim de simplificação, costuma-se estudar casos com variações nos tamanhos em uma e duas dimensões, também.

Os 4 tipos de dilatação

Os 4 tipos de dilatação são: linear, superficial, volumétrica e dos líquidos. Os processos de variação das dimensões com a variação de temperatura, na natureza, ocorrem sempre em três dimensões. Porém, para facilitar os cálculos, por diversas vezes, considera-se a dilatação linear, a superficial e a volumétrica. Ou seja, as variações em uma, duas e três dimensões, respectivamente. Além disso, os líquidos também variam seu volume conforme a mudança de temperatura. Veja como isso acontece em cada um dos casos:

Dilatação linear

Quando apenas uma dimensão é considerada, deve-se levar em conta o comprimento inicial, a variação do comprimento, a variação de temperatura e o coeficiente de dilatação linear. Matematicamente, essa relação é:

Em que:

  • ΔL: variação do comprimento (m)
  • L0: comprimento inicial (m)
  • α: coeficiente de dilatação linear (°C-1)
  • ΔT: variação de temperatura (°C)

Nesse caso, as unidades de temperatura estão na escala Celsius. Contudo, a unidade oficial de temperatura, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o kelvin. É necessário atenção para as conversões necessárias de unidade de medida.

Dilatação superficial

Ao considerar uma superfície, é preciso levar em conta duas dimensões. Assim, as variações de tamanho dependerão da variação na área, a área inicial, o coeficiente de dilatação superficial e a variação de temperatura. Assim, de maneira analítica:

Em que:

  • ΔA: variação da área (m²)
  • A0: área inicial (m²)
  • β: coeficiente de dilatação superficial (°C-1)
  • ΔT: variação de temperatura (°C)

É possível obter o coeficiente de dilatação superficial a partir de sua componente linear. O coeficiente superficial equivale ao dobro do coeficiente linear. Ou seja, 2α = β.

Dilatação volumétrica

A dilatação volumétrica é usada nos casos em que deve-se considerar as três dimensões do corpo. De maneira análoga aos outros dois casos, esse tipo de dilatação depende da variação do volume, do volume inicial, do coeficiente de dilatação volumétrica e da variação de temperatura. Matematicamente:

Em que:

  • ΔV: variação do volume(m³)
  • V0: volume inicial (m³)
  • γ: coeficiente de dilatação volumétrica (°C-1)
  • ΔT: variação de temperatura (°C)

Assim como nos outros casos, é possível obter uma relação entre os coeficientes de dilatação. Nesse caso, 3α = γ e 3β/2 = γ.

Dilatação térmica dos líquidos

Apesar dos líquidos se comportarem em três dimensões e o seu volume ser levado em consideração. Existem algumas especificidades para a variação de volume nesses casos. Dessa forma, veja as fórmulas:

Em que:

  • ΔVap: variação aparente da área (m³)
  • V0: área inicial (m³)
  • γap: coeficiente de dilatação volumétrica aparente(°C-1)
  • ΔT: variação de temperatura (°C)

Nesse caso, a variação de volume aparente corresponde ao volume do líquido que transborda do recipiente. Além disso, o coeficiente de dilatação aparente depende da variação de volume sofrida pelo frasco no qual o líquido estava contido. O qual possui a relação da variação de volume dada por:

Em que:

  • ΔVF: variação aparente do frasco(m³)
  • V0: área inicial (m³)
  • γ: coeficiente de dilatação volumétrica aparente(°C-1)
  • ΔT: variação de temperatura (°C)

A variação de volume real é dada pela soma das duas variações de volume encontradas pelas fórmulas anteriores. Além disso, para alguns líquidos, a variação de volume é anômala em um intervalo de temperatura. Por exemplo, a água diminui de volume, ao ser aquecida de zero a quatro graus celsius.

Coeficiente de dilatação linear

Cada material reagirá à temperatura de uma maneira única. Ou seja, há uma característica intrínseca de cada material que mede essa interação do material com a variação de temperatura. Essa característica é o coeficiente de dilatação linear. Dessa forma, veja o valor dessa grandeza física para sete materiais distintos:

  • Aço: 11 x 10 -6°C-1
  • Alumínio: 22 x 10 -6°C-1
  • Chumbo: 27 x 10 -6°C-1
  • Cobre: 17 x 10 -6°C-1
  • Ferro: 12 x 10 -6°C-1
  • Ouro: 15 x 10 -6°C-1
  • Platina: 9 x 10 -6°C-1

Esses valores variam conforme a pureza do material. Além disso, as pessoas que trabalham com engenharia levam esses valores em consideração na hora de construir um novo aparelho. Por exemplo, em pontes, calçadas ou trilhos de trem, há pequenos espaços vazios chamados de juntas de dilatação. Eles são colocados para que os materiais possam se dilatar e se contrair sem que haja prejuízo para a estrutura.

Vídeos sobre dilatação

O conteúdo da variação de tamanho dos materiais é um dos mais importantes da termologia. Por isso, é importante conhecê-lo a fundo para expandir seu conhecimento. Veja os vídeos selecionados sobre esse tema:

O anel de Gravesande

Os professores Cláudio Furukawa e Gil Marques fazem um experimento que mostra como o volume de um objeto pode variar conforme a temperatura. Para isso, os docentes fazem o experimento do anel de Gravesande. Com isso é possível observar que a esfera, depois de aquecida, não passa pelo anel.

Dilatação térmica nos sólidos

O professor Marcelo Boaro explica como acontece a dilatação térmica nos sólidos. Para isso, Boaro explica como esse fenômeno acontece. A seguir, ele explica os três tipos de dilatação em sólidos. Ao fim da videoaula, o docente resolve um exercício de aplicação.

Dilatação térmica em líquidos

Os líquidos se comportam de maneira diferente dos sólidos. Dessa forma, sua dilatação também é distinta. Para compreender a explicação desse fenômeno, veja a videoaula ministrada pelo professor Marcelo Boaro. Ao longo da aula, o docente explica como calcular esse tipo de variação de volume. Ao fim do vídeo, o professor resolve um exemplo de aplicação.

Os tópicos de termologia são muito cobrados em avaliações de grande escala, como vestibulares e Enem. Por isso, compreendê-los em sua totalidade é de extrema importância. Além da dilatação térmica, estude também a condução térmica.

Referências

Física II: Termodinâmica e ondas (2016) – YOUNG, H. D. et al.n
Física: Volume 2 (2008) – HALLIDAY, D. et al.
Curso de Física Básica: Volume 2 (2014) – NUSSENZVEIG, H. D.

Hugo Shigueo Tanaka
Por Hugo Shigueo Tanaka

Divulgador Científico e co-fundador do canal do YouTube Ciência em Si. Historiador da Ciência. Professor de Física e Matemática. Licenciado em Física pela Universidade Estadual de Maringá (UEM). Mestre em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM). Doutorando em Ensino de Ciências e Matemática (PCM-UEM).

Como referenciar este conteúdo

Tanaka, Hugo Shigueo. Dilatação. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/fisica/dilatacao. Acesso em: 22 de October de 2021.

Exercícios resolvidos

1. [Udesc]

Em um dia típico de verão utiliza-se uma régua metálica para medir o comprimento de um lápis. Após medir esse comprimento, coloca-se a régua metálica no congelador a uma temperatura de -10ºC e esperam-se cerca de 15 min para, novamente, medir o comprimento do mesmo lápis. O comprimento medido nesta situação, com relação ao medido anteriormente, será:

a) maior, porque a régua sofreu uma contração.

b) menor, porque a régua sofreu uma dilatação.

c) maior, porque a régua se expandiu.

d) menor, porque a régua se contraiu.

e) o mesmo, porque o comprimento do lápis não se alterou.

Alternativa correta: A
Ao colocar a régua dentro do congelador, ela sofre uma contração em seu comprimento. Ao medir o lápis com essa régua, o comprimento será maior do que o medido anteriormente.

2. [Ufrgs]

Quando se fornece calor a uma substância, podem ocorrer diversas modificações decorrentes de propriedades térmicas da matéria e de processos que envolvem a energia térmica.
Considere as afirmações abaixo, sobre processos que envolvem fornecimento de calor.

I. Todos os materiais quando aquecidos, expandem-se.
II. A temperatura de ebulição da água depende da pressão.
III. A quantidade de calor a ser fornecida, por unidade de massa, para manter o processo de ebulição é denominado calor latente de vaporização.

Quais estão corretas?
a) Apenas I.
b) Apenas II.
c) Apenas III.
d) Apenas II e III.
e) I, II e III.

Alternativa correta: D
A primeira afirmativa é FALSA. A água, por exemplo, possui uma dilatação anômala.

A segunda afirmativa é VERDADEIRA. A temperatura de ebulição de um líquido varia conforme a pressão. Quanto maior a pressão, maior a temperatura de ebulição.

A terceira afirmativa é VERDADEIRA. O calor latente de vaporização é a energia necessária para vaporizar uma massa de água.

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