Expansão Linear
Ozeias Rodrigues Costa
Disciplina de Física II
Faculdade de Tecnologia Tupy Curitiba
Resumo
Quando corpos são submetidos a uma variação
de temperatura eles sofrem um aumento ou
diminuição em suas dimensões. Quando um objeto é
submetido a um aumento de temperatura os átomos
que formam este corpo se agitam aumentando a
distancia entre si e por conseqüência aumentando a
dimensão do objeto. Quando o objeto é submetido a
uma diminuição de sua temperatura o efeito é
contrário. Objetos de materiais diferentes reagem de
formas diferentes quando são submetidos a uma
mesma variação de temperatura. O experimento
deste relatório tem a proposta de exemplificar de
forma prática os conceitos teóricos abordados sobre
o tema. [1]
Introdução
Expansão linear é o que acontece com todo
material (molécula) ao sofrer determinada variação
de temperatura, e é importantíssima para saber o
quanto cada material vai se dilatar, sem isso como
seria o nosso dia-a-dia, construções iriam abaixo,
motores se partiriam, estradas não agüentariam a
temperatura que ficam expostas, etc.
Para que cheguemos a esses resultados usamos
algumas formas de calcular, onde: ∆L é a variação
de comprimento, L será o comprimento inicial, α é
o coeficiente de expansão linear e por fim ∆T é a
variação de temperatura obtida
∆L = Lᵢα ∆T [2]
Ou
Lᵳ - Lᵢ = αLᵢ(Tᵳ - Tᵢ) [2]
Onde Lᵳ é o comprimento final, T ᵳ é a
temperatura final e a constante de proporcionalidade
α é o coeficiente de expansão linear para um
determinado material e tem unidades de (ºC)ou (ºK)
e depende do material. Ao denominar um corpo
como sólido, não estamos nos referindo ao corpo em
si, mas ao estado físico da matéria que o constituí. O
estado sólido é um estado da matéria cujas
características são ter volume e forma definidos, isto
é, a matéria resiste à deformação. Durante o
processo de aquecimento de um corpo estamos
transferindo energia de um sistema para outro. Esta
transferência de energia é conhecida como calor, e
ocorre exclusivamente devido à diferença de
temperatura entre os sistemas. Temperatura é uma
grandeza física que mensura a energia cinética
média dos graus de liberdade de cada uma das
partículas de um sistema em equilíbrio térmico, o
que nada mais é que o equilíbrio (igualdade) das
temperaturas dos sistemas considerados.
Assim, consideremos a situação dos trilhos de
trem: porque, em determinadas circunstâncias,
vemos que as barras de ferro que o formam ficam
distorcidas(como mostra na figura 3.1)?
figura [3.1]
A resposta chave para este problema provém de
um conceito físico muito importante e presente no
nosso dia-a-dia, embora quase imperceptível: a
dilatação térmica.
As barras do trilho ficam expostas por longos
períodos a grandes variações de temperatura,
ficando muito quentes durante o dia e frias durante
a noite. Durante o dia, elas estão “recebendo” uma
grande quantidade de energia térmica provinda do
Sol, a qual faz com que a energia cinética dos
átomos que as constituem aumente
consideravelmente, aumentando a temperatura.
Quando isto ocorre, os átomos passam a vibrar com
uma amplitude cada vez maior, e este aumento na
amplitude de agitação implica no aumento de
volume do corpo. Durante a noite, o mesmo
fenômeno ocorre, porém os trilhos resfriam se
devido à “ausência” de uma fonte de calor como o
Sol e a amplitude de vibração dos átomos diminui,
fazendo com que o volume do corpo seja contraído.
Devido à esta variação significativa no volume das
barras do trilho, pode acontecer de uma barra
“forçar” a outra, ocasionando a deformação do
material de maneira permanente. É devido a este
fato que, ao olharmos atentamente para a região
entre duas barras que constituem o trilho,
percebemos que há um espaço vago entre elas,(como
