5ª Experiência : Dilatação Térmica

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1 5ª Experiência : Dilatação Térmica Objetivo Determinar o coeficiente de dilatação linear para três materiais: cobre, latão e alumínio. Introdução As conseqüências habituais de variações na temperatura de uma substância são alterações em suas dimensões e mudanças de sua fase. Consideremos as dilatações que ocorrem sem mudanças de fase. A Figura 1 apresenta o modelo simples de uma rede cristalina onde os átomos são mantidos juntos, em uma disposição regular, por forças intermoleculares. Tais forças são semelhantes às que seriam exercidas por um conjunto de molas que ligassem os átomos. Estes átomos apresentam vibração, com amplitude da ordem de 10 9 cm e freqüência de Hz. Quando a temperatura é elevada, a amplitude de vibração aumenta assim como a distância média entre os átomos, o que acarreta uma dilatação do corpo. A variação de qualquer dimensão linear do sólido, como o comprimento, largura ou espessura, denomina se dilatação linear. Seja um sólido com comprimento inicial L 0, sujeito a uma variação de temperatura T que causa variação no comprimento. Esta variação é proporcional à variação da temperatura e ao comprimento inicial, isto é: material. L = α L 0 T (1) onde α é o coeficiente de dilatação linear, que depende do Para muitos sólidos, denominados isotrópicos, a variação percentual do comprimento, para uma dada variação de temperatura, é igual para todas as direções. Sendo assim a variação da área (A) é dada por A = 2α A T e a do volume (V) por V = 3αV T. 37

2 Figura 1: Modelo simplificado de uma rede cristalina Procedimento experimental Terminal do termômetro digital Relógio Comparador Conexão rápida de saída lateral A C Corpo de prova (barra) Mangueira da conexão B Mangueira acoplada ao balão Dissipador Ponto de apoio da barra Escala do dilatômetro Ponto de fixação da barra Conexão rápida de saída longitudinal Figura 2: Arranjo Experimental usado para determinar o coeficiente de dilatação linear. Identifique o material que constitui a barra e anote o valor da temperatura inicial t i da água da calha onde a barra está mergulhada, na Tabela 1. Retire o material da água (use papel toalha para não alterar a temperatura inicial da barra), e coloque a conexão rápida de saída lateral, no ponto C do corpo de prova (a barra possui um orifício na sua lateral que deve coincidir com o orifício da conexão) vide Figura 3. SENTIDO DE AJ USTE DA CONEXÃO LATERAL O ORIFÍCIO DO TUBO DEVE COINCIDIR COM A SAÍDA DA CONEXÃO LATERAL Figura 3: Encaixe da conexão de saída lateral 38

3 Ajuste o sensor do termômetro digital na conexão rápida de saída lateral, até atravessar o CONEXÃO LATERAL ORIFÍCIO DO TUBO SENSOR DO TERMÔMETRO DIGITAL Figura 4: Ajuste do sensor do termômetro digital na conexão de saída lateral orifício do tubo, atingindo o interior do mesmo (Figura 4). Posicione a barra entre os pontos A e B, avance o corpo de prova até encostar no relógio comparador. Fixe a barra no ponto B; esta operação acarretará um pequeno deslocamento do ponteiro no relógio comparador (Figura 2). Leia o comprimento inicial da barra (L o ) entre os pontos A e B, na escala do dilatômetro: L o = ( ± ) m Coloque a conexão rápida de saída longitudinal na extremidade livre da barra conforme mostrado na Figura 2. Fixe o ponteiro do relógio comparador no zero e acople o dissipador térmico entre as mangueiras. Acenda a lamparina para aquecer a água do balão volumétrico. Aguarde a estabilização da leitura do relógio comparador e do termômetro digital. Faça a leitura da dilatação linear L no relógio comparador e a leitura da temperatura final T F no termômetro digital, coloque os resultados na Tabela 1. Leve a barra para a calha com água fria e tome cuidado para não misturá la com as que estão em temperatura ambiente. Repita o procedimento três vezes (inclusive a leitura das temperaturas inicial e final). Proceda da mesma forma para os outros dois materiais. Tabela 1: Medidas das variações de temperatura e respectivas dilatações das barras. t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) Com os dados da Tabela 1 e usando a equação (1), calcule o coeficiente de dilatação linear α para os três materiais. Coloque os resultados na Tabela 2. 39

4 Tabela 2: Valores experimentais dos coeficientes de dilatação linear α( o C 1 ) α( o C 1 ) α( o C 1 ) Calcule os coeficientes de dilatação médios e seus respectivos desvios padrão. α cobre = ( ± ) ºC 1 α latão = ( ± ) ºC 1 α alumínio = ( ± ) ºC 1 percentual. Compare os valores encontrados acima, com os valores tabelados e calcule o erro E% cobre = E% latão = E% alumínio = Conclusão 40

5 FOLHA DE RESPOSTAS 5ª Experiência : Dilatação Térmica Professor: Turma: Disciplina: Data: L 0 = ( ± ) m Tabela 1 t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) t i (ºC) t f (ºC) T(ºC) L(mm) Memorial de Cálculos 41

6 Tabela α( o C 1 ) α( o C 1 ) α( o C 1 ) α cobre = ( ± ) ºC 1 α latão = ( ± ) ºC 1 α alumínio = ( ± ) ºC 1 E% cobre = E% latão = E% alumínio = Conclusão 42