Dilatação volumétrica

Quando a temperatura de um corpo sólido aumenta, geralmente suas três dimensões aumentam também. Esse conceito físico é a dilatação volumétrica.

O aumento da temperatura de um corpo geralmente produz aumento em seu volume, seja em líquidos ou em sólidos. De maneira similar à dilatação linear, o aumento do volume será proporcional à variação de temperatura, caso ela seja menor do que 100°C. Veja a seguir o que é a dilatação volumétrica e como calcular, além de exemplos cotidianos e vídeos sobre o assunto.

O que é a dilatação volumétrica?

Quando a temperatura de um determinado material aumenta, geralmente seu volume também vai aumentar. Caso a temperatura do corpo diminua, é esperado que o volume diminua também.

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Considere um corpo com volume inicial V0. Após receber energia térmica, sua temperatura aumenta e, consequentemente, seu volume também aumenta para um volume V, de forma que há uma variação volumétrica (ΔV= V – V0).

Como calcular a dilatação volumétrica

Como dito anteriormente, para casos nos quais a variação da temperatura seja inferior a 100°C, o volume varia de maneira proporcional à temperatura. Dessa forma, o cálculo da dilatação volumétrica será:

ΔV= V0.Ɣ.ΔT

Em que,

  • ΔV: Variação do volume (m3);
  • V0: Volume inicial (m3);
  • Ɣ: Coeficiente de dilatação térmica (°C-1);
  • ΔT: Variação da temperatura (°C).

Note que a unidade de medida do volume está em unidades do Sistema do Internacional (SI). Porém, essas unidades podem ser centímetros cúbicos (cm3), litros (L), etc. Não há problema em utilizar outras unidades de medida, desde que tanto a variação do volume quanto o volume inicial estejam no mesmo sistema de medidas.

A variação da temperatura não está em unidades do SI. Porém, também não há diferença entre utilizar a variação da temperatura em graus Celsius ou em Kelvin, visto que a variação de temperatura em ambas as escalas é a mesma (ΔK=ΔºC).

A unidade de medida do coeficiente de dilatação volumétrica é o inverso da unidade da temperatura, e a constante física do coeficiente de dilatação térmica é uma característica intrínseca do material. Há também a conversão entre os coeficientes de dilatação térmica linear, superficial e volumétrica de um material:

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Em que,

  • ɑ: Coeficiente de dilatação linear (°C-1);
  • β: Coeficiente de dilatação superficial (°C-1);
  • Ɣ: Coeficiente de dilatação volumétrica (°C-1).

Dilatação volumétrica de sólidos e líquidos

A dilatação volumétrica se comporta de maneira distinta nos sólidos e nos líquidos. Além disso, algumas substâncias, como a água, possuem uma dilatação anômala ou incomum. A expansão em sólidos obedece às características citadas acima. Vejamos as características da dilatação volumétrica em líquidos.

Dilatação volumétrica em líquidos

Assim como na dilatação dos sólidos, a dilatação volumétrica em líquidos ocorre quando sua temperatura aumenta. Dessa forma, precisamos conhecer o coeficiente de dilatação térmica do líquido e, também, o coeficiente de dilatação térmica do recipiente no qual ele se encontra. Assim, calculamos a dilatação aparente (que é a dilatação do líquido) e a dilatação do recipiente (que é uma dilatação de sólidos).

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Dessa forma, as equações são:

ΔVaparente= V0aparentelíquido.ΔT

Em que,

  • ΔVaparente: Variação do volume aparente (m3);
  • V0aparente: Volume inicial aparente (m3);
  • Ɣlíquido: Coeficiente de dilatação térmica do líquido (°C-1);
  • ΔT: Variação da temperatura (°C).

ΔVrecipiente= V0recipienterecipiente.ΔT

Em que,

  • ΔVrecipiente: Variação do volume do recipiente (m3);
  • V0recipiente: Volume inicial do recipiente (m3);
  • Ɣrecipiente: Coeficiente de dilatação térmica do recipiente (°C-1);
  • ΔT: Variação da temperatura (°C).

Assim, a variação de volume real é dada por:

ΔVreal= ΔVaparente+ΔVrecipiente

Em que,

  • ΔVreal: Variação do volume real (m3);
  • ΔVaparente: Variação do volume aparente (m3);
  • ΔVrecipiente: Variação do volume do recipiente (m3).

Dilatação anômala da água

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Algumas substâncias, como a água, possuem uma dilatação fora do comum. No caso do aquecimento entre 0°C e 4°C, a água se comprime ao invés de dilatar.

Exemplos cotidianos

Você já deve ter reparado que em algumas construções, como pontes e viadutos, há um pequeno espaço entre as peças de concreto. Esse espaço existe por um motivo e não é para economizar nos gastos. Ele está lá para compensar a dilatação térmica volumétrica sofrida pelo concreto com a variação da temperatura.

Você já tentou abrir um pote de conserva e falhou? Muito provavelmente deve ter visto, em alguma rede social, que, para abrir o pote, basta aquecê-lo. Isso acontece porque os coeficientes de dilatação do vidro e do aço são diferentes e, ao esquentar o pote, a tampa dilata mais que o vidro, facilitando a abertura.

Vídeos sobre dilatação volumétrica

Agora que já vimos o que é a dilatação volumétrica, que tal assistir a alguns vídeos explicativos sobre o assunto?

Experimento de dilatação volumétrica com uma esfera

Veja uma aplicação prática da dilatação volumétrica.

Dilatação térmica em sólidos

Vamos aprofundar nossos conhecimentos sobre dilatação térmica!

Aplicação tecnológica da dilatação térmica

Veja uma aplicação tecnológica da dilatação térmica: o disjuntor térmico!

A dilatação térmica está muito presente em nosso cotidiano, e agora você já sabe um pouco mais sobre como explicá-la fisicamente. Para completar seus estudos e ampliar o conhecimento, é importante estudar também outros conceitos da termodinâmica.

Referências

YOUNG, H. D. Física II: Termodinâmica e ondas. São Paulo: Addison Wesley, 2008.
Coeficiente de dilatação – CEPA – USP.

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).

Exercícios resolvidos

1. [IF-Sul]

Um copo de vidro de 50 g de massa possui 100 g de água que o preenche até a “boca”. O sistema está inicialmente em equilíbrio térmico a uma temperatura de 4°C. O gráfico mostra como se comporta o volume do vidro e da água em função da temperatura.
De acordo com o comportamento anômalo da água ou analisando o gráfico concluímos que o nível de água no copo irá:
a) diminuir, se a temperatura do sistema diminuir.
b) diminuir, independentemente de a temperatura do sistema aumentar ou diminuir.
c) transbordar, independentemente de a temperatura do sistema aumentar o diminuir.
d) transbordar, somente se a temperatura do sistema aumentar.

De acordo com o gráfico, a 4°C, temos o menor volume de água na pressão normal. Ao aumentar a temperatura, a água dilata, o que faz com que o líquido transborde.
Se diminuirmos a temperatura, devido ao comportamento anômalo da água, ela também transbordará, porque seu volume aumentará.

Resposta correta: C.

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.

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.

Resposta correta: D.

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