Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 1ª Série DILATAÇÃO TÉRMICA

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1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Física Ensino Médio, 1ª Série DILATAÇÃO TÉRMICA

2 Física, 2ª Série Dilatação Térmica Expansão das Moléculas É importante que saibamos o que são temperatura e calor. Temperatura: é a medida do grau de agitação das moléculas; Calor: é a troca de energia causada exclusivamente por uma diferença de temperatura. Imagem: SEE-PE

3 LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Dilatação dos sólidos 1 Dilatação linear dos sólidos

4 Dilatação dos sólidos Com a variação na temperatura de um sólido, as partículas que o constituem vibram, menos ou mais, em torno de sua posição de equilíbrio. 1 Dilatação linear dos sólidos

5 Física, 2ª Série Dilatação Térmica Dilatação Térmica Definição Em física, dilatação térmica é o nome que se dá ao crescimento das dimensões de um corpo, ocasionado pelo aumento de sua temperatura.

6 Física, 2ª Série Dilatação Térmica Para pensar melhor... Como facilitar a abertura da tampa de um vidro de azeitonas? A tampa de metal e o vidro sofrerão alterações quando aquecidas? Como esse fenômeno pode ser explicado fisicamente?

7 Imagem: Powerkites16 / classicalmusic.mzrt@gmail.com / Public Domain. Física, 2ª Série Dilatação Térmica Você já observou os trilhos em uma estrada de ferro?

8 R-P/KINO R-P/KINO FOTOHUNTER/SHUTTERSTOCK Dilatação linear dos sólidos 1 Dilatação linear dos sólidos

9 Dilatações e contrações em mais de LUANA FISCHER/FOLHA IMAGEM FERNANDO FAVORETTO/CRIAR IMAGEM uma dimensão A dilatação de alguns corpos, como azulejos e blocos de concreto, é mais perceptível em duas dimensões. 2 Dilatação superficial dos sólidos

10 DAVID R. FRAZIER PHOTOLIBRARY/ALAMY/OTHER IMAGES A dilatação afeta todas as FABIO YOSHIHITO MATSUURA dimensões de um corpo Em alguns corpos, é mais fácil perceber que a dilatação e a contração dos sólidos é volumétrica. 3 Dilatação volumétrica dos sólidos

11 Física, 2ª Série Dilatação Linear Os fios de telefone ou luz, expostos ao Sol, variam suas temperaturas, fazendo com que o fio se estenda de um comprimento inicial (Lo) para um comprimento final (L), aumentando assim sua curvatura. Imagem: Hugh Venables / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic.

12 Física, 2ª Série Dilatação Linear Dilatação Linear Ocorre quando o corpo sofre expansão em uma dimensão A dilatação do fio depende de três fatores: Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. da substância da qual é feito o fio; da variação de temperatura sofrida pelo fio; do comprimento inicial do fio.

13 Física, 2ª Série Dilatação Linear EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO LINEAR L = Lo.α. T Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

14 Física, 2ª Série Dilatação Linear L é variação de comprimento do fio, ou seja, L = Lf Lo; Lo é o comprimento inicial; Lf é o comprimento final; α é o coeficiente de dilatação linear, uma característica da substância. Sua unidade é o C -1 ; T é a variação de temperatura, ou seja, T = Tf - To, onde To representa a temperatura inicial do fio e Tf a temperatura final.

15 DAMIAN PALUS/SHUTTERSTOCK Já sabe responder? É possível que o tempo se dilate com a variação da temperatura? 1 Dilatação linear dos sólidos

16 R-P/KINO Já sabe responder? Por que não convém construir uma casa grudada à do vizinho? 3 Dilatação volumétrica dos sólidos

17 Gráfico da Dilatação Linear como então

18 Coeficientes de Dilatação Linear

19 EXERCÍCIOS: O gráfico abaixo representa a variação do comprimento de uma barra homogênea com a temperatura. Determine o coeficiente de dilatação linear de que a barra é constituída.

20 Física, 2ª Série Dilatação Superficial Dilatação Superficial Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. A expansão ocorre nas suas duas dimensões lineares, ou seja, na área total do corpo. Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível, frente às outras duas, por exemplo, uma chapa (1).

21 Física, 2ª Série Dilatação Superficial Vemos uma chapa retangular que, ao ser aquecida, teve toda a sua superfície aumentada, passando de uma área inicial (Si) a uma área final (Sf). Ou seja, a variação da área de superfície S pode ser escrita por (2): S= Sf Si Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

22 Física, 2ª Série Dilatação Superficial A dilatação superficial, analogamente à dilatação linear, depende: da variação de temperatura sofrida pelo corpo; da área inicial; do material do qual é feito o corpo. O coeficiente utilizado neste caso, é o de dilatação superficial β, que equivale a duas vezes o coeficiente de dilatação linear, isto é: β = 2 α. Sua unidade também é o C -1 (3).

23 EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO SUPERFICIAL S = β.si. T Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. S é a dilatação superficial ou o quanto a superfície variou; β é o coeficiente de dilatação superficial; Si é a área inicial; T é a variação de temperatura (4).

24 EXERCÍCIO: Um quadrado de lado 2m é feito de um material cujo coeficiente de dilatação superficial é igual a 1, Determine a variação de área deste quadrado quando aquecido em 80 C. ΔS = So.β.ΔӨ ΔS = 4.1, ΔS = 0,0512 m²

25 Exercícios: Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 1,2.10-5, determine o coeficiente de dilatação superficial. Como β = 2.α= temos que β = 2.1, = 2,4.10-5

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27 Alarme de Incêndio

28 THORSTEN SCHUH/ SHUTTERSTOCK DMITRY KRAMAR/ SHUTTERSTOCK OVIDIU IORDACHI/SHUTTERSTOCK PHOTOVIBES/ SHUTTERSTOCK Já sabe responder? O tamanho do vazio também se altera quando a temperatura varia? 2 Dilatação superficial dos sólidos

29 Espaços vazios: Uma chapa com um furo ao ser aquecida sofre aumento tanto da sua área quanto do furo dois corpos,um maciço e outro oco de mesmo material e mesmo volume inicial sofre um mesmo acréscimo de temperatura,sofrerão um mesma dilatação.

30 Física, 2ª Série Dilatação Superficial Experimento 1: Dilatação Superficial Lâmina Bimetálica Objetivo: Verificar como diferentes materiais produzem diferentes dilatações. Material: papel comum 3x10cm; papel alumínio 3x10cm; cola; vela. Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.

31 Física, 2ª Série Dilatação Superficial Procedimentos: cole o papel comum, no lado opaco do papel alumínio; espere secar; aproxime a vela acesa do papel alumínio e veja o que acontece; aproxime a vela do papel comum; verifique a diferença e qual dos dois sofreu maior dilatação (5).

32 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Física, 2ª Série Dilatação Superficial FAÇA VOCÊ MESMO! Material: 20 cm de fio de cobre de 1mm de diâmetro (fio elétrico); bolinha de isopor de 1 a 1,5 cm de diâmetro; suporte de caneta (sem carga); lamparina ou suporte com vela;

33 Física, 2ª Série Dilatação Superficial Procedimentos: descasque o fio de cobre; passe-o ao redor da bolinha, formando um anel. O fio deve ficar bem justo; passe a outra extremidade do fio pelo interior da caneta (que servirá de suporte) e prenda-o; acenda a lamparina e pegue a caneta com o aro, sem a bola e coloque-a sobre a lamparina por mais ou menos dois minutos; retire a lamparina e em seguida passe a bolinha pelo aro; verifique o que acontece (6).

34 Física, 2ª Série Dilatação Volumétrica Dilatação Volumétrica Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. A grande maioria dos corpos sólidos possui três dimensões: altura, comprimento e espessura. Quando aquecido, o sólido sofre expansão em cada uma delas, resultando em um aumento no volume total do corpo (7).

35 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Física, 2ª Série Dilatação Volumétrica EQUAÇÃO DA DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre: variação da dimensão; dimensão inicial; variação da temperatura. Adicionando-se um coeficiente que depende do material do qual o sólido é formado, garantimos a relação entre os termos da equação da dilatação volumétrica.

36 Física, 2ª Série Dilatação Volumétrica Assim, obtém-se: ΔV= γ Vi ΔT Onde: ΔV = Vf Vi é a variação do volume; Vi é o volume inicial; ΔT = T To é a variação da temperatura; γ é o coeficiente de dilatação volumétrico; γ = 3 β = 3α para uma mesma substância. Sua unidade 2 também é o C -1.

37 FÓRMULAS

38 DILATAÇÃO LINEAR L = Lo.. t L - Lo = Lo.. t

39 DILATAÇÃO SUPERFICIAL S = So.. t S - So = So.. t S - So = So. 2. t

40 DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA V = Vo.. t V - Vo = Vo.. t V - Vo = Vo. 3. t

41 Física, 2ª Série Dilatação dos Líquidos Dilatação dos Líquidos Os líquidos, assim como os sólidos, sofrem dilatações ao serem aquecidos. Uma vez que não têm forma própria, fato este devido à gravidade, adquirem a forma do recipiente. Se o líquido estivesse livre da atração gravitacional (no espaço, por exemplo) obteria a forma de uma esfera, pois nessa geometria há a menor área de superfície para um determinado volume. Imagem: Vlieg / Public Domain. A gota, uma pequena porção de água, costuma obter formato esférico

42 Física, 2ª Série Dilatação dos Líquidos Ao se ver o conjunto recipiente + líquido ser aquecido, tem-se a sensação de que apenas o líquido teve seu volume aumentado. Mas, na verdade, ambos os corpos, em diferentes estados físicos, sofrem dilatação. Como o líquido tem mais facilidade de absorver calor, sofre uma maior variação de volume do que o recipiente sólido. O que se observa é a dilatação aparente (ΔV aparente ) do líquido. Imagem: Jorge Barrios / Public Domain.

43 Veja na tabela abaixo, o coeficiente de dilatação de alguns líquidos, medido em o C -1 Água 1, Mercúrio 1, Glicerina 4, Benzeno 10, Álcool etílico 11, Acetona 14, Petróleo

44 Em países onde os invernos são rigorosos, muitas pessoas deixam suas torneiras gotejando para não permitir que a água contida no encanamento se congele, devido ao pequeno fluxo, e os canos arrebentem.

45 Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. Física, 2ª Série Dilatação dos líquidos Para saber sua dilatação real (ΔV líquido ), precisa-se adicionar a dilatação do recipiente (ΔV recipiente ), e para isso, deve-se conhecer os coeficientes de dilatação volumétrica do líquido e do recipiente. A dilatação real do líquido é, portanto, a dilatação aparente, somada à dilatação do recipiente. ΔV líquido = ΔV aparente + ΔV recipiente

46 Comportamento anômalo da água No intervalo entre 4ºC e 0ºC a ÁGUA se comporta de maneira diferente das demais substâncias, pois ao reduzir de 4ºC a 0ºC quebram-se as pontes de hidrogênio fazendo com que as moléculas fiquem mais afastadas e, ao invés de reduzir, o volume faz é aumentar tornando-a menos densa.

47 Ao se elevar a temperatura de uma substância, verifica-se uma dilatação térmica. Entretanto, a água, ao ser aquecida de 0 0 C a 4 0 C, contrai-se, constituindo-se uma exceção ao caso geral.

48 A ligação denomina-se ponte de hidrogênio. Em conseqüência disso, entre as moléculas, formam-se grandes vazios, aumentando o volume externo (aspecto macroscópico).

49 Quando a água é aquecida de 0 o C a 4 o C ocorre uma contração. de 4 o C a 100 o C, a água dilata-se normalmente.

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51 Então, a 4 o C, tem-se o menor volume para a água e, consequentemente, a maior densidade da água no estado líquido. Observação: A densidade da água no estado sólido ( gelo ) é menor que a densidade da água no estado líquido.

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55 Física, 2ª Série Dilatação dos Gases Dilatação dos Gases Os gases têm ainda mais facilidade de absorver calor que os líquidos. Por isso, são substâncias comumente utilizadas em experimentos termodinâmicos. Para que os balões possam levantar voo, por exemplo, o gás que preenche o seu conteúdo deve ser aquecido. A expansão volumétrica é tão intensa, que a densidade do gás dentro do balão torna-se menor que a densidade do ar da atmosfera, fazendo com que o balão comece a flutuar. Imagem: Joedeshon / Creative Commons Attribution 2.5 Generic.

56 Física, 2ª Série Dilatação dos Gases Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido. ATIVIDADE Objetivo: explicitar o conceito de dilatação dos líquidos e gases; Material: 2 recipientes de vidro, 2 bolas de encher, um Becker com água quente e outro com água fria.

57 Física, 2ª Série Dilatação dos Gases Procedimentos: prenda as bolas de encher na borda dos recipientes de vidro. Coloque um deles na água quente e o outro na água fria; observe o fenômeno termodinâmico e explique as causas do ocorrido.

58 Física, 2ª Série Dilatação Térmica Bibliografia Gonçalves Filho, A.; Toscano, C. Física para o ensino médio. 1. ed. São Paulo:Scipione, Arribas, S. D. Experiências de física na escola. 4. ed. Passo Fundo: Universitária, Sites:

59 Tabela de Imagens Slide Autoria / Licença Link da Fonte Data do Acesso 2 SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Acervo SEE-PE 08/03/2012 Autor Desconhecido. 5 Powerkites16 / 13/03/2012 classicalmusic.mzrt@gmail.com / Public Domain. d_tracks.jpg 6 Hugh Venables / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic. _infrastructure_-_geograph.org.uk_- _ jpg 08/03/2012 7, 8, 10, SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Acervo SEE-PE 08/03/ , 13, 14, Autor Desconhecido. 16, 18 e Vlieg / Public Domain. ruppel_op_blad.jpg 08/03/ Jorge Barrios / Public Domain. 08/03/2012 f_water.jpg 23 SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Acervo SEE-PE 08/03/2012 Autor Desconhecido. 24 Joedeshon / Creative Commons Attribution 08/03/ Generic. pershing_balloon_derby_2005_09_04.jpg 25 SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Acervo SEE-PE 08/03/2012 Autor Desconhecido.