Relatório 04 Dilatação termica

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS 
Física Experimental II
Professor: Dr.Pedro Duarte Antunes
11 jan. 2022
 
 
 Relatório Experimento 04
DILATAÇÃO TÉRMICA 
 
 
Bruno Bonifácio Marcelino
Gabriela Carneiro Junqueira
Maiara Cristina de Oliveira
Philipe Salvador Loredo
Talia Brenda Abreu
Thallysson Douglas Machado
Varginha - MG
Janeiro de 2022
Bruno Bonifácio Marcelino
Gabriela Carneiro Junqueira
Maiara Cristina de Oliveira
Philipe Salvador Loredo
Talia Brenda Abreu
Thallysson Douglas Machado
 EXPERIMENTO 04
Relatório apresentado à Disciplina de FÍSICA EXPERIMENTAL II do curso de Bacharelado do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET - MG, Unidade Varginha,como requisito parcial à obtenção de créditos da disciplina.
 
 
 Professor: Dr. Pedro Duarte Antunes
Varginha - MG
Janeiro de 2022
SUMÁRIO
1. RESUMO …...………………………………………………………………..…….4 
2. INTRODUÇÃO …………... ……….…………………………………………….….4 
3. OBJETIVOS ……...………………………………………………………………....7
4. MATERIAIS UTILIZADOS ……………………………………………………….7
5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES DOS DADOS ………...7
6. ANÁLISE DOS DADOS…………………………………………………………..11
7. CONCLUSÃO ………………………………………………………..……….…14
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ……………………………………..……15
1. RESUMO
No presente relatório iremos realizar uma simulação, na qual nos permite o estudo da dilatação térmica de 5 materiais diferentes em função da variação da temperatura com a utilização de um banho térmico. O mesmo, faz circular um líquido no interior de um tubo oco, aquecendo-o. O banho indica sempre a temperatura do líquido em um dado instante. A temperatura pode variar de 25 ºC até 150 ºC. Cada amostra é fixada no dinamômetro no ponto indicado pela seta vermelha e tem sua extremidade direita livre, que toca o pino do relógio comparador. Uma régua permite a medida do comprimento efetivo inicial da amostra, isto é, o comprimento inicial (Lo) do tubo oco que se dilatará de modo a influenciar o relógio comparador. O comprimento efetivo da amostra corresponde à medida do ponto indicado pela seta vermelha à extremidade direita onde o tubo oco toca o pino do relógio comparador. O banho deve ser ligado e a temperatura final deve ser escolhida no botão seletor de temperaturas. Com isso, iremos estudar a dilatação térmica em função da temperatura, determinar o coeficiente de dilatação linear de sólidos e verificar o comportamento de uma lâmina bimetálica.
2. INTRODUÇÃO 
Dilatação térmica, na termodinâmica, é o nome dado ao aumento de volume de um corpo ocasionado pelo aumento de sua temperatura, isso ocorre porque esse aumento na temperatura causa uma grande agitação nas moléculas deste corpo, consequentemente há um aumento na distância média entre as mesmas. Vale ressaltar, que a dilatação ocorre de forma mais explícita nos gases, de forma intermediária nos líquidos e menos explícita nos sólidos.
Cada tipo de material irá dilatar com mais ou menos facilidade devido ao seu coeficiente de dilatação, o qual representa a capacidade que cada material tem de dilatar, a cada aumento de 1°C na sua temperatura. Quanto maior for o coeficiente de dilatação do material, mais facilidade ele terá para dilatar quando aquecido ou contrair quando resfriado. O grau de dilatação térmica varia de acordo com o material que está sendo dilatado. Para que se demonstre de uma forma mais evidente como ocorre a dilatação e o quanto ela varia, dependendo do material utilizado, alguns experimentos fáceis podem ser realizados. Tais experimentos baseiam-se na mudança de temperatura, visto que a dilatação e contração ocorrem de acordo com a temperatura do meio.
Todos os corpos podem sofrer dilatação volumétrica, isto é, um aumento em suas dimensões ao longo das três direções do espaço, uma vez que qualquer corpo apresenta no mínimo três dimensões espaciais (largura, altura e profundidade). No entanto, muitos corpos apresentam geometrias que privilegiam uma ou mais dimensões: alguns são mais alongados, outros possuem formatos achatados, alguns apresentam as três dimensões semelhantes entre si.
Corpos de formato alongado sofrem mais com a dilatação linear, uma vez que o comprimento é a sua dimensão mais significante. Exemplos desse tipo de corpo são os fios metálicos usados em postes, fios de cabelo, agulhas, tubos etc.
Corpos de simetria achatada tendem a sofrer variações mais significativas em suas áreas, apresentando majoritariamente a dilatação superficial, como nos casos de placas metálicas, tampos de mesas, pratos, calçadas etc. Corpos tridimensionais sofrem alterações em suas dimensões de forma similar para as três direções do espaço, o que configura a dilatação volumétrica. Alguns exemplos desse tipo de corpo são os gases, líquidos, sólidos em formatos cúbicos etc.
Além da geometria do corpo, outro fator importante para a ocorrência da dilatação é o coeficiente de dilatação, uma propriedade da substância que compõe o corpo. Existem três tipos de coeficiente de dilatação: linear (α), superficial (β) e volumétrica (γ). Quanto maior é o coeficiente de dilatação de um corpo, maior é a sua dilatação sofrida para uma determinada variação de temperatura em ºC (graus Celsius) ou em K (Kelvin). Além disso, a dilatação térmica também é proporcional à variação de temperatura (ΔT) sofrida pelo corpo, em ºC ou em K (Kelvin), portanto, dentro de um intervalo de temperaturas, quanto mais aquecemos um corpo, mais dilatação ele sofre.
A dilatação linear depende de vários fatores, dentre eles: o comprimento inicial do objeto, o material de que é feito e da variação de temperatura. Assim representada pela Equação 01:
 ΔL = α.L0.ΔT Equação 01
Onde:
α: é o coeficiente de dilatação térmica linear, cuja unidade é o °C-1, que depende da natureza do material que constitui o corpo;
Lo: é o comprimento inicial do corpo;
ΔL e ΔT: são, respectivamente, a variação do comprimento e de temperatura do corpo.
A dilação térmica deve ser levada em conta em muitas situações práticas, como na construção de pontes e linhas férreas como na Figura 01.
Figura 01: Estrada de Ferro sem Dilatação Térmica
Para o estudo da dilatação térmica linear pode-se utilizar um dilatômetro (Figura 02), instrumento que permite determinar o coeficiente de dilatação linear medindo a variação do comprimento de finas barras ou “tubos” de materiais diferentes ao serem aquecidos. O equipamento consiste de uma base com duas hastes fixadas que apoiam o tubo cujo material se deseja determinar o coeficiente de dilatação. Uma terceira haste, também fixa, sustenta o relógio comparador que toca a extremidade do tubo.
Figura 01: Dilatômetro Linear
O tubo é percorrido e aquecido pelo vapor de água, transportado por um cano de borracha, e entra em equilíbrio térmico. Ao ser aquecido o tubo de dilata, ou seja, seu comprimento aumenta, pressionando o relógio que registra a dilatação. Desse modo, utilizando a Equação 02, pode se determinar o coeficiente de dilatação linear.
 Equação 02
3. OBJETIVOS
Esta prática experimental teve como principais objetivos:
· Estudar a dilatação térmica em função da temperatura;
· Determina̧cão do coeficiente de dilata̧cão linear dos sólidos; 
· Observar e entender o comportamento de uma lâmina bimetálica.
4. MATERIAIS UTILIZADOS
Para a realização do experimento 1 foram utilizados os seguintes materiais:
· Laboratório Virtual de Física da Universidade Federal do Ceará - Dilatação Térmica;
· Tabelas do Excel;
· Papel e caneta;
· Calculadora Científica;
· Controle deslizante (online);
· Régua (online).
Para a realização do experimento 2 foram utilizados os seguintes materiais analisados em vídeo:
· Vela;
· Lâmina Bimetálica;· Ventilador;
· Circuito de alimentação para o ventilador (não especificado em vídeo).
5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES
Procedimento 1: Dilatação Térmica
 Para a realização dos procedimentos foi utilizada a plataforma Laboratório Virtual de Física da Universidade Federal do Ceará (Dilatação Térmica). A sua interface inicial possui à esquerda um banho térmico que nada mais é do que um aparelho que pode aquecer um líquido, representado em azul, e fazê-lo circular no interior de um tubo oco. O banho térmico indica sempre a temperatura do líquido em um dado instante ( foi considerado que a temperatura do tubo oco do material em estudo é sempre igual à temperatura indicada no banho térmico). A temperatura pode variar de 25°C (temperatura ambiente) até uma temperatura máxima de 150° C. Há também um tubo oco que pode ser escolhido dentre as 5 amostras indicadas. Cada amostra é fixa no dilatômetro no ponto indicado pela seta vermelha e tem sua extremidade direita tocando um relógio comparador . Assim, o comprimento inicial (Lo) do tubo oco que se dilata de modo a influenciar o relógio comparador, corresponde à medida do ponto indicado pela seta vermelha à extremidade direita onde o tubo oco toca o relógio comparador. Como indica a figura abaixo: 
Figura 03: Interface inicial da plataforma
Fonte:Laboratório Virtual de Física da Universidade Federal do Ceará
O relógio comparador aparece inicialmente com sua face voltada para cima. Para visualizar a face do relógio comparador de modo a fazer as leituras, clique em mostrar relógio; assim a simulação mostrará o relógio comparador,assim como mostra a figura:
Figura 04: Visão do relógio comparador.
Fonte:Laboratório Virtual de Física da Universidade Federal do Ceará.
Quando escolhe-se uma nova amostra, a mesma é aquecida da temperatura ambiente (25° C) até a temperatura máxima de 150° C. Observa-se que ao escolher uma amostra, a mesma é posicionada no dilatômetro e ao observar o mostrador do relógio comparador, o mesmo pode não está zerado. Para zerá-lo,basta clicar no ponto vermelho na borda do relógio comparador e girar a escala até que
o zero da escala coincida com a posição do ponteiro maior. Para fazer as leituras de ΔL,considera-se que a menor divisão da escala no relógio representa 0,01 mm e cada volta completa corresponde a 1,00 mm.O número de voltas que correspondente ao número de mm, é indicado pelo ponteiro menor do
relógio . Observa-se também que o ponteiro menor gira no sentido anti-horário seguindo a numeração em sequência.
 O Procedimento 01 consistiu em determinar o coeficiente de dilatação térmica do AÇO. Para esse experimento primeiro escolheu-se a opção de aço na plataforma, em seguida verificou-se se o relógio comparador estava no zero. Mediu-se com a régua o comprimento Lo, à temperatura inicial, da porção do tubo
considerada na dilatação (comprimento do tubo entre o ponto de fixação indicado pela seta vermelha e a extremidade fechada do tubo que toca o relógio comparador), encontrou-se o comprimento inicial do aço de 60 cm , em seguida calculou-se o (mm) e o (°C) para cada temperatura indicada na tabela 01 abaixo :
Tabela 01: Resultados “experimentais” para o tubo de AÇO.
t (°C)	25	50	75	100	125	150
ΔL (mm)	0,00	0,160	0,325	0,485	0,647	0,809
Δt (°C)	0,0	25	50	75	100	125
Fonte: O próprio autor.
Dados obtidos após análise da tabela e do procedimento:
Lo= 600 mm.
t= 25°C
t’=150°C
=0,809 mm
 Através da equação 02, podemos encontrar o coeficiente de dilatação do aço experimentalmente. 
= 1,08x
 Em seguida o procedimento foi repetido, no entanto para a opção latão da plataforma, como indica a tabela 02:
Tabela 02: Resultados “experimentais” para o tubo de LATÃO.
t (°C)	25	50	75	100	125	150
ΔL (mm)	0,00	0,270	0,542	0,811	1,082	1,352
Δt (°C)	0,0	25	50	75	100	150
Fonte: O próprio autor.
Dados obtidos pela tabela 02 e procedimento experimental do latão:
Lo= 755 mm.
t= 25°C
t’=150°C
=1,352 mm
= 1,43x
 E por fim, o procedimento foi repetido mais uma vez com a opção de chumbo e foi possível perceber os seguintes resultados indicados na tabela 03:
Tabela 03: Resultados “experimentais” para o tubo de CHUMBO.
t (°C)	25	50	75	100	125	150
ΔL (mm)	0,00	0,415	0,828	1,240	1,651	2,067
Δt (°C)	0,0	25	50	75	100	150
Fonte: O próprio autor.
Com os dado obtidos acima, pode-se aferir o coeficiente de dilatação linear a seguir:
Lo= 755 mm.
t= 25°C
t’=150°C
=2,067 mm
= 2,19x
Procedimento 2: Comportamento de uma lâmina bimetálica com a variação da temperatura.
Para o procedimento de Comportamento de uma lâmina bimetálica com a variação da temperatura foi assistido à execução do experimento onde, inicialmente a lâmina bimetálica é aquecida por uma vela. O aquecimento provocou o encurvamento da lâmina e o fechamento de um circuito elétrico que alimenta um ventilador. Ao ser ligado, o ventilador provoca uma corrente de ar em direção à lâmina e a esfria ocasionando interrupção no circuito que alimenta o ventilador. Com isso, a chama da vela aquece novamente a lâmina e o processo se repete. 
6. ANÁLISE DOS DADOS
Abaixo, segue o gráfico da dilatação térmica (ΔL) em função da variação da temperatura (Δt) para os resultados encontrados para o Aço:
Figura 02: Gráfico Dilatação Térmica
O mesmo para para os resultados encontrados para o Chumbo:
Figura 03: Gráfico Dilatação Térmica
Os gráficos acima representam a alteração da temperatura dos dois corpos analisados, suas propriedades físicas tendem também a sofrer alteração. Portanto, em nossos estudos vimos que o aumento na temperatura de um corpo faz com que as dimensões desses corpos aumentem,como ilustrado nas figuras 02 03, pois a agitação térmica também aumenta. Então, a representação gráfica está de acordo com a teoria estudada. 
Vale ressaltar, que a constante de proporcionalidade α é denominada coeficiente de dilatação térmica linear do material que constitui a barra. Sua unidade de medida é o grau Celsius. Essa grandeza assume valor diferente para cada tipo de material, representando a dilatação térmica linear para cada unidade de comprimento e para cada unidade de variação de temperatura.
Comparando o coeficiente de dilatação térmica aferido através dos dados experimentais com o da literatura temos a seguinte tabela:
Tabela 04: Comparação coeficiente de dilatação térmica experimental e da literatura
Material	Experimentalmente	Literatura	Erro percentual(%)
Aço	1,08x10^-5	1,1x10^-5	0,02
Latão	1,43x10^-5	1,9x10^-5	0,47
Chumbo	2,19x10^-5	2,7x10^-5	0,51
Fonte: O próprio autor.
Procedimento 2: Comportamento de uma lâmina bimetálica com a variação da temperatura.
A lâmina bimetálica é composta por dois metais de coeficientes de dilatação linear diferentes. O coeficiente de dilatação térmica linear, se tomarmos de exemplo o latão e o aço, temos que o coeficiente de dilatação do latão é maior que o do aço. Assim, quando essa lâmina for resfriada, o metal com maior coeficiente de dilatação linear vai contrair mais do que o outro metal (vai diminuir um pouco mais o seu volume do que o outro). 
A dilatação térmica acontece quando um determinado corpo sofre um aumento na sua temperatura, resultando no aumento do seu volume. Isso acontece porque no momento em que a temperatura é aumentada, as moléculas presentes nesse corpo, se agitam e geram o aumento da distância entre elas.Cada corpo sofre com o aumento de temperatura de uma forma diferente. Todo corpo que possua dimensões de altura, largura e profundidade pode sofrer dilatação térmica quando entra em contato com o calor. Em função da prática assistida são necessárias algumas medidas para que a dilatação térmica não seja um problema cotidiano. Um dos métodos usados para mitigar danos é a junta de dilatação. As juntas de dilatação têm a função de impedir rachaduras, causadas pela dilatação e colisão das estruturas, que podem danificar a construção. Isso não ocorrendo, haverá a criação de tensões indesejadas na superestrutura e na mesoestrutura (colunas). O fluxo de veículos em viadutos e pontes faz com que a estrutura de concretose movimente. Essas obras naturalmente se sujeitam a fissuras e outras patologias, tendo em vista que as estruturas de concreto acabam se chocando. Com a utilização de uma junta de dilatação para pontes, garante-se a segurança frente a vários tipos de movimentação, como cisalhamento, tração, rotação, recalque diferencial e compressão, mesmo que as movimentações ocorram simultaneamente.
Um fenômeno parecido que pode ser observado de maneira simples no cotidiano é o que acontece com os relógios de pêndulo. Constrói-se um pêndulo ligando uma porca à ponta de um fio com cerca de 60-70 cm de comprimento. Pede a um colega para segurar pela ponta livre e o tempo de oscilação será de 30 segundos. O período do pêndulo dá-se por:
T = 2π √(L/g) , onde L representa o comprimento do fio.
Como em dias quentes o comprimento L aumenta, o período também aumenta e por conta disso o relógio irá atrasar.
Outro fenômeno a observar é o de que uma pequena esfera de alumínio pode atravessar um anel de aço. Com o aquecimento do anel e não da esfera, esta irá continuar atravessando o anel, porém, com um espaço maior para passagem graças ao aumento da largura do anel, devida à dilatação térmica causada pelo aumento da temperatura no anel, desta forma a esfera teria mais espaço para passar pelo anel. Com o aquecimento simultâneo do anel e da esfera, esta última não conseguiria passar pelo anel, pois o coeficiente de dilatação térmica do anel de aço é menor que o da esfera de alumínio. Ou seja, a esfera dilataria mais que o anel, impossibilitando a passagem.
7. CONCLUSÃO
Através de experimentos realizados e estudos teóricos aprofundados, concluiu-se que a dilatação é o processo pelo qual um objeto aumenta de tamanho devido à absorção de calor.
Além disso, podemos ver a função da lâmina bimetálica, que se dobra em direção ao metal com o menor coeficiente de expansão quando aquecida, e várias aplicações do conceito de expansão na vida cotidiana.
Desta forma, o objetivo da prática é alcançado com sucesso e a visualização dos fenômenos abordados é intensificada.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 14724 – Informação e documentação — Trabalhos acadêmicos — Apresentação. 2011.
CASTRO, Giselle dos Santos; DIAS, Nildo Loiola. Dilatação Térmica. Disponível em:https://www.laboratoriovirtual.fisica.ufc.br/dilatacao-termica. Acesso em 08 de Janeiro de 2022.
DILATAÇÃO TÉRMICA. Prepara ENEM, 2020. Disponível em:
https://www.preparaenem.com/fisica/dilatacao-termica.htm. Acesso em 09 de Janeiro de 2022.
DILATAÇÃO TÉRMICA. Toda Matéria, 2022. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/dilatacao-termica/. Acesso em 09 de Janeiro de 2022.