Relatório 8 Dilatação Térmica

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OBJETIVOS
Determinar o coeficiente de dilatação linear de sólidos.
MATERIAL
- Dilatômetro;
- Tubos ocos de: aço, latão e alumínio;
- Relógio comparador;
- Kitasato (pyrex);
- Termômetro;
- Lâmina bimetálica;
- Fita métrica;
- Luvas térmicas;
- Fogareiro elétrico.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Quando um corpo recebe calor, tende a expandir seu volume, devido ao maior grau de vibração de suas moléculas. Dá-se o nome de dilatação térmica a essa tendência dos corpos ao se expandirem com a elevação da temperatura.
O estudo da dilatação térmica é essencial para a engenharia. Esse princípio é fundamental para os projetos de engenharia civil, como por exemplo, a construção de pontes. A expansão dos materiais utilizados para a construção da ponte devem ser levados em conta e ao longo da estrutura da mesma devem ser previstas juntas de dilatação para que a expansão e a contração dos materiais não danifique a estrutura da ponte. O mesmo ocorre para as estruturas de concreto armado de diversas edificações, para os trilhos de uma linha ferroviária, entre outros.
Os materiais se dilatam em maior ou menor intensidade. Essa dilatação depende de três diferentes fatores: comprimento inicial, variação de temperatura e coeficiente de dilatação. O coeficiente de dilatação difere de material para material. O coeficiente de dilatação térmica é o responsável pela descrição de como as dimensões e um objeto podem ser alteradas com a temperatura, à pressão constante. Os coeficientes de dilatação podem mensurar a expansão nas três dimensões, podendo ser volumétricos, de área ou lineares. 
O objeto de estudo da presente prática é a dilatação linear, ou seja, a variação do tamanho do corpo em apenas uma direção. Para se calcular a dilatação linear, usa-se a seguinte equação:
Eq. 1				
Onde é a dilatação linear do objeto, é a variação de temperatura sofrida pelo corpo, é o comprimento inicial do mesmo e é o coeficiente de dilatação linear do corpo. Isolando o , temos a seguinte equação:
Eq. 2				
Essa é a expressão utilizada para calcular o coeficiente de dilatação linear.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
No início da prática, o professor demonstrou o comportamento de uma lâmina bimetálica. A lâmina foi aquecida dos dois lados e observou-se que em um lado a curvatura descrita era para cima e no outro a curvatura era para baixo. Terminada a demonstração, realizou-se a experiência que determinaria o coeficiente de dilatação linear de três diferentes tubos, sendo o primeiro composto de aço, o segundo de alumínio e o ultimo de latão. A princípio, o dilatômetro linear foi montado conforme especificado pela apostila. Montado o equipamento, mediu-se o comprimento (Lo) do tubo de aço à temperatura inicial da parte referente a considerada na dilatação do corpo. Mediu-se a temperatura inicial do tubo (T) e ligou-se o dilatômetro. Depois de ligado, esperou-se que o ponteiro do equipamento estacionasse e anotou-se a temperatura (T’) do tubo para esse instante. O mesmo procedimento foi repetido para os tubos de alumínio e de latão. Utilizando a equação:
Encontram-se os valores de para cada material. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 4.1. 
	Tabela 4.1 – Resultados experimentais
	Material
	Lo (mm)
	T ()
	T’ ()
	()
	 (mm)
	 (
	Aço
	521 mm
	21,8
	93,8
	72
	0,47
	1,25 x 10-5 
	Alumínio
	521 mm
	22,3
	90,2
	67,9
	0,87
	2,46 x 10-5
	Latão
	521 mm
	25,4
	78,3
	52,9
	0,60
	2,18 x 10-5
QUESTIONÁRIO COM PERGUNTAS E RESPOSTAS 
Compare os coeficientes de dilatação linear encontrado experimentalmente para cada material fornecido com os valores respectivos da literatura. Indique o erro percentual em cada caso.
	Tabela 5.1 – Erro percentual
	Material
	 ( experimental
	 ( literatura
	Erro percentual (%)
	Aço
	1,25 x 10-5
	1,2 x 10-5
	4,17
	Alumínio
	2,46 x 10-5
	2,4 x 10-5
	2,50
	Latão
	2,18 x 10-5
	2,0 x 10-5
	9,00
Uma lâmina bimetálica consiste de duas tirar metálicas rebitadas e é utilizada como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela funciona.
Os dois metais que compõem a lâmina têm coeficientes de dilatação diferentes. Quando o lado em que o metal tem maior coeficiente, ele se dilata mais do que o outro metal, fazendo com que o metal de cima tracione e o de baixo comprima-se, flexionando a peça como um todo.
Em um termostato comum, ao aumentar a temperatura, a lâmina se curva e o circuito é aberto, impedindo possíveis acidentes. Quando a temperatura cai, a fita volta ao normal e o circuito é novamente fechado e a passagem de corrente elétrica é novamente permitida.
Uma pequena esfera metálica pode atravessar um anel metálico. Entretanto, aquecendo a esfera, ela não conseguirá mais atravessar o anel. O que aconteceria se aquecêssemos o anel e não a esfera?
O espaço para a passagem da esfera pelo anel aumentaria devido a dilatação causada pelo aumento da temperatura e a esfera conseguiria passar com maior folga pelo anel.
Explique o que ocorre ao período de um relógio de pêndulo com o aumento da temperatura. Com o aumento da temperatura, o relógio de pêndulo passa a adianta, atrasar ou permanece marcando as horas corretamente?
O relógio atrasará, pois o comprimento do pêndulo (L) aumenta com o aumento da temperatura, e o período do relógio de pendulo (T) é dado pela seguinte expressão:
.
Se L aumenta, T também aumenta e o resultado disso é que o pêndulo passará mais tempo para oscilar, atrasando o relógio. 
Por que a água não deve ser usada como substância termométrica?
Devido ao comportamento anômalo da água, quando essa se funde o volume aumenta em vez de diminuir, enquanto os demais materiais se comprimem nessa mesma faixa de temperatura. Além disso, a água tem um alto calor específico, que demanda mais tempo para que a temperatura varie.
Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero grau Celsius.
A água apresenta um comportamento anômalo, já que na faixa de temperatura entre 0°C e 4°C a água se expande ao invés de se contrair. O gelo, sendo menos denso que a água, sobe para a superfície e impede que o calor escape e a água dentro do lago não congela.
Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 15,8 cm a 0°C. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina alcançar 100°C? 
()
CONCLUSÃO
Com a realização da prática, pode-se determinar o coeficiente de dilatação linear de sólidos a partir de valores obtidos experimentalmente de variação de temperatura do corpo e variação de comprimento do mesmo. Os valores obtidos experimentalmente para o aço, alumínio e latão foram, respectivamente, 1,25 x 10-5 , 2,46 x 10-5 e 2,18 x 10-5 . Os valores encontrados na literatura para o aço, alumínio e latão foram, respectivamente, 1,2 x 10-5 , 2,4 x 10-5 e 2,0 x 10-5 , não apresentaram grande disparidade. O erro percentual entre o coeficiente de dilatação linear na literatura e obtido experimentalmente para o aço, alumínio e latão foi, respectivamente, 4,17%, 2,50% e 9,00%. A diferença entre os valores experimentais e valores da literatura pode ser atribuída a erros na utilização dos aparelhos e a inexperiências dos alunos para operá-los.
Foi possível ver a influência da temperatura, do comprimento inicial e do coeficiente de dilatação na expansão das medidas do material. Pode-se também entender como funciona o mecanismo da lâmina bimetálica: como os dois materiais tem diferentes coeficientes de dilatação, um lado da lâmina dilata mais que o outro ao ser aquecido e a lâmina que era inicialmente reta ira se curvar e então a lâmina pode ser utilizada para regular temperaturas de sistemas. Assim, quando a fita for aquecida, a lâmina se curvará e o circuito será aberto; se a temperatura cair, a fita volta a forma inicial e o circuito é reaberto.
BIBLIOGRAFIA (CONSULTADA)
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert e WALKER, Jearl. Fundamentos da Física. Rio de Janeiro. Editora LTC.2012. Vol. 2 - Gravitação, Ondas, Termodinâmica. 9ª edição.
DIAS, Dr. Nildo Loiola. Roteiro de aulas práticas de física para os cursos de engenharia. Fortaleza, UFC, Departamento de Física. 2014.