O que é dilatação volumétrica? (Com exemplos) - Ciência - 2023

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o expansão 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 são submetidas ao calor; Este é um fenômeno conhecido como expansão térmica, porém também existem substâncias que se contraem quando aquecidas.

Embora as variações de volume sejam relativamente pequenas para sólidos, elas são de grande importância técnica, especialmente em situações onde se deseja unir materiais que se expandem de forma diferente.

A forma de alguns sólidos é distorcida quando aquecido e pode se expandir em algumas direções e contrair em outras. Porém, quando há dilatação apenas em um determinado número de dimensões, existe uma classificação para tais expansões:

  • A dilatação linear ocorre quando a variação em uma dimensão específica predomina, como o comprimento, largura ou altura do corpo.
  • A dilatação da superfície é aquela em que a variação em duas das três dimensões predomina.
  • Finalmente, a dilatação volumétrica implica uma variação nas três dimensões de um corpo.

Conceitos básicos relacionados à expansão térmica

Energia térmica

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.


Quente

Calor é a energia térmica transferida entre duas ou mais substâncias ou de uma porção da substância para outra em 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.

Temperatura

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.

Quais são as propriedades básicas da expansão térmica?

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.


Qual é a causa fundamental da expansão térmica?

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 torna-se 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.

Dilatação linear

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 maneira:


DL = aLoDT

onde α é um coeficiente de proporcionalidade denominado coeficiente de expansão linear e é característico de cada material. Alguns valores desse 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.

Dilatação superficial

Quando um plano é tomado dentro de um corpo sólido, de modo que este plano é 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.

Dilatação volumétrica

Como nos casos anteriores, a mudança no volume ΔV pode ser aproximada com a relação (Figura 3). Esta equação é geralmente escrita da seguinte forma:

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, também se expande quando sua temperatura diminui na faixa de 4ºC a 0ºC. Esse efeito pode ser observado quando a água é colocada dentro da geladeira, a água se expande ao congelar e é difícil extrair o gelo do seu recipiente devido a essa expansão.

Exemplos

As 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 circundante. No entanto, a gasolina se expande muito mais rápido do que o aço, fazendo com que vaze 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) restante 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 menos massa.

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 de 15ºC, quanta gasolina será derramada até atingir 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 fará a diferença nas 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.

Bibliografia

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Thermal Expansion of Solids ASM International, 1998.
  2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
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  5. Zemansky Mark W. Heat and Thermodynamics. Editorial Aguilar, 1979.