Dilatação Térmica

Dilação térmica é o fenômeno pelo qual o corpo sofre uma variação nas suas dimensões, quando varia a sua temperatura.
A dilatação de um sólido com o aumento de temperatura ocorre porque com o aumento da energia térmica aumentam as vibrações dos átomos e moléculas que formam o corpo, fazendo com que passem para posições de equilíbrio mais afastadas que as originais.

Dilatação Linear

Quando os corpos são submetidos a uma variação de temperatura eles dilatam, ou seja, eles sofrem aumento ou diminuição nas suas dimensões. Vale deixar bem claro que essa variação é bem pequena, e que muitas vezes ela não é perceptível a olho nu, necessitando assim de equipamentos, como o microscópio, para poder visualizar.
Os corpos dilatam quando sofrem aumento na sua temperatura. Sabe-se que quando ocorre a variação da temperatura do corpo os átomos que o constituem se agitam mais, com isso a distância média entre eles é aumentada, assim sendo, o corpo ganha novas dimensões, ou seja, ele se dilata. De uma forma geral todos os corpos dilatam após serem aquecidos e se contraem após terem sua temperatura reduzida.
A dilatação linear é aquela que ocorre variação em apenas uma dimensão, ou seja, o comprimento do material. Imagine a seguinte situação: uma barra de metal de comprimento L_i à temperatura t_i, é aquecida até uma determinada temperatura t_f. O que se percebe é que a barra, após o aquecimento, não tem mais o mesmo comprimento, ou seja, ela sofreu uma variação na sua dimensão, no seu comprimento, ela dilatou. Veja:

Onde ΔL = L_f – L_i é a variação do comprimento, ou seja, a dilatação linear da barra. E Δt = t_f – t_i é a variação da temperatura da barra. Experimentalmente verifica-se que:
- o comprimento inicial (L_i) é proporcional à temperatura inicial (t_i);
- o comprimento final (L_f) é proporcional à temperatura final (t_f);
- a dilatação linear depende do material que constitui a barra.
Mediante a essas constatações foi determinada a seguinte equação para dilatação linear dos corpos: ΔL = L_iα Δt, onde α é denominada de coeficiente de dilatação linear, é uma constante característica do material que constitui o corpo. Por exemplo, para o alumínio temos que α = 0,000023 por °C (ou °C^-1), isso quer dizer que o alumínio dilata 23 milionésimos de seu comprimento a cada 1°C de variação na sua temperatura, ou seja, uma dilatação muito pequena e que possivelmente só pode ser vista em microscópio.

Dilatação Superficial

Os corpos, quando submetidos à variação de temperatura têm as suas dimensões alteradas, essa variação é chamada de dilatação térmica.
A dilatação superficial é aquela na qual ocorre variação na área do corpo. Considere a placa metálica descrita na gravura abaixo:

Placa metálica

Inicialmente a temperatura inicial é to, a placa tem área inicial So. Após ser aquecida por uma fonte de calor a sua área ganha novas dimensões, ou seja, ela se expande em razão do aumento no grau de agitação das moléculas que a compõem. Agora com temperatura final t a placa metálica passa a ter área final S. A variação de área sofrida pela placa pode ser determinada da seguinte forma:

ΔS = S – S_o (I)

Experimentalmente podemos mostrar que a variação da área sofrida pela placa é proporcional à variação da temperatura sofrida pela mesma, matematicamente temos a seguinte relação que determina a dilatação superficial, veja:

ΔS = S_oβΔt (II)

Onde β é chamado de coeficiente de dilatação térmica superficial do material que constitui a placa, ele é igual a duas vezes o valor do coeficiente de dilatação térmica linear (α), veja: β = 2α.
Para saber qual a área final da placa após ela ser aquecida podemos substituir a equação I na equação II, temos:

S – S_o = S_oβΔt

Isolando S do restante da equação surge: S = S_o( 1 + βΔt).

Dilatação Volumétrica

É aquela em que ocorre quando existe variação das três dimensões de um corpo: comprimento, largura e espessura. Com o aumento da temperatura, o volume da figura sofre um aumento V, tal que:

Em que
V i = volume inicial.
V f = volume final.
= variação de volume (dilatação volumétrica).
Em que g é o coeficiente de dilatação volumétrica do material que constitui o corpo.
O coeficiente de dilatação volumétrica g é aproximadamente igual ao triplo do coeficiente de dilatação linear a , isto é: g = 3 a
Exemplo: Um recipiente de vidro tem capacidade de 600cm 3 a 15ºC. Sabendo-se que a vidro = 27 . 10 -6 C -1 determine a capacidade desse recipiente a 25ºC.
Resolução:
Cálculo de g :

Cálculo de V f :

Resposta:
A capacidade a 25ºC é de 600, 486 cm³.

Dilatação dos Líquidos

Os líquidos, assim como os sólidos, sofrem dilatação ao serem aquecidos. Para determinar qual a dilatação sofrida pelos líquidos seguimos as mesmas regras estudadas para os sólidos. É importante lembrar que os líquidos não apresentam forma própria, eles adquirem a forma do recipiente. Sendo assim não faz sentido estudar dilatação linear ou superficial, mas sim a dilatação volumétrica do recipiente no qual se encontra o líquido.
Ao ser aquecido, o conjunto recipiente + líquido vai dilatar. É evidente que o frasco que contém o líquido vai dilatar assim como o líquido, contudo esse apresentará apenas dilatação aparente. A dilatação real que o líquido sofre é maior que a dilatação aparente e é igual à soma da dilatação do recipiente e da dilatação aparente. As equações que determinam a dilatação dos líquidos são:

Onde γ é chamado de coeficiente de dilatação volumétrica e pode ser calculado a partir do cálculo da dilatação do recipiente e da dilatação aparente do líquido, que podem ser calculadas da seguinte forma:

Dilatação do recipiente

Dilatação aparente

Como já foi dito, a dilatação real que o líquido sofre é igual à soma dessas duas dilatações descritas acima. Ao fazer o somatório dessas duas dilatações podemos chegar a uma equação que determina o coeficiente de dilatação volumétrica, veja:

Comportamento anômalo da água
Sabemos que sólidos e líquidos ao serem aquecidos tem seu volume aumentado. Contudo, existem algumas substâncias que em determinados intervalos de temperatura sofrem o processo inverso, ao aumentar a temperatura eles diminuem o volume. Nesse intervalo, essas substâncias apresentam coeficiente de dilatação negativo.
A água é uma dessas substâncias. Quando a sua temperatura é aumentada, entre 0°C e 4°C, seu volume diminui. Ao elevar sua temperatura para mais de 4°C ela volta a dilatar normalmente. Esse fenômeno ocorre em países onde o inverno é muito rigoroso. Nesses países, os lagos e rios se congelam na superfície e a água de máxima densidade se encontra, a 4°C, por debaixo da camada de gelo. Esse é um acontecimento muito importante para a fauna e flora aquática, pois sem essa anormalidade da água os peixes e as plantas aquáticas morreriam, causando danos ao meio ambiente.

Fonte: Brasilescola