Relatório 9 Dilatação Térmica Física 2

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Lab. Física II/ Química Turma A
Prática 9: Determinação do Coeficiente de Dilatação Linear de Sólidos
	
	Nome dos integrantes do grupo (em ordem alfabética) 
	R.A. 
	Diogo de Araújo Carvalho
	161020411
	Eliana Santos de Oliveira
	161024599 
	Felipe Lima Faria
	171026799
	Lucas de Souza Alves
	141021756 
	Mariana Santos de Oliveira
	161024581 
	Marina Barros Florentino da Silva
	171026781 
 
 
 Prof. Raul Oliveira de Araújo
Bauru- SP 2017
Sumário
1. INTRODUÇÃO..........................................................................................................3
2. MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................................4
2.1 INSTRUMENTAÇÃO E METODOLOGIA..............................................................5 
2.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL......................................................................6
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................6
4. CONCLUSÃO............................................................................................................8
5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................9
INTRODUÇÃO
 O termômetro de mercúrio é o mais comum. Ele consiste basicamente de um tubo capilar (fino como cabelo) de vidro, fechado a vácuo, e um bulbo (espécie de bolha arredondada) em uma extremidade contendo mercúrio. O mercúrio, como todos os materiais, dilata-se quando aumenta a temperatura. Por ser extremamente sensível, ele aumenta de volume à menor variação de temperatura, mesmo próxima à do corpo humano. O volume do mercúrio aquecido se expande no tubo capilar do termômetro. E essa expansão é medida pela variação do comprimento, numa escala graduada que pode ter uma precisão de 0,05o C. É dessa forma, pela expansão do líquido, que observamos a variação da temperatura.
 Fig1. Termomêtro de Mercúrio
 
Fundamentação teórica 
Ao denominar um corpo como sólido, não estamos nos referindo ao corpo em si, mas ao estado físico da matéria que o constituí. O estado sólido é um estado da matéria cujas características são ter volume e forma definidos, isto é, a matéria resiste à deformação. No estado sólido, os átomos ou as moléculas estão relativamente próximos, com uma organização espacial fixa, movendo-se ligeiramente devido à presença de energia cinética.
Durante o processo de aquecimento de um corpo estamos transferindo energia de um sistema (o ambiente externo, por exemplo) para outro (o corpo em questão). Esta transferência de energia (denominada energia térmica) é conhecida como calor, e ocorre exclusivamente devido à diferença de temperatura entre os sistemas. Temperatura é uma grandeza física que mensura a energia cinética média dos graus de liberdade de cada uma das partículas de um sistema em equilíbrio térmico, o que nada mais é que o equilíbrio (igualdade) das temperaturas dos sistemas considerados.
Assim, consideremos a situação dos trilhos de trem: porque, em determinadas circunstâncias, vemos que as barras de ferro que o formam ficam distorcidas? A resposta chave para este problema provém de um conceito físico muito importante e presente no nosso dia-a-dia, embora quase imperceptível: a dilatação térmica.
As barras do trilho ficam expostas por longos períodos a grandes variações de temperatura, ficando muito quentes durante o dia e frias durante a noite. Durante o dia, elas estão “recebendo” uma grande quantidade de energia térmica provinda do Sol, a qual faz com que a energia cinética dos átomos que as constituem aumente consideravelmente, aumentando a temperatura. Quando isto ocorre, os átomos passam a vibrar com uma amplitude cada vez maior (vide gráfico 1), e este aumento na amplitude de agitação implica no aumento de volume do corpo. Durante a noite, o mesmo fenômeno ocorre, porém os trilhos resfriasse devido à “ausência” de uma fonte de calor como o Sol e a amplitude de vibração dos átomos diminui, fazendo com que o volume do corpo seja contraído. Devido à esta variação significativa no volume das barras do trilho, pode acontecer de uma barra “forçar” a outra, ocasionando a deformação do material de maneira permanente. É devido a este fato que, ao olharmos atentamente para a região entre duas barras que constituem o trilho, percebemos que há um espaço vago entre elas, justamente para considerar este efeito da dilatação, evitando possíveis danos ao trilho e um provável descarrilamento de um trem.
OBJETIVO 
O objetivo da prática era descobrir o coeficiente de dilatação linear (α) de três barras distintas: Cobre, Alumínio e Aço.
MATÉRIAIS E MÉTODOS
Equipamento de expansão térmica,
Três tubos de metal (5/8’’) de diâmetro externo sendo eles: de aço, cobre (99,5%Cu; 0,5%Te) e alumínio (98,9%Al; 0,7%Mg; 0,4%Si),
Gerador de vapor,
Ohmimetro digital para medir a resistência do termistor 
Espuma isolante para evitar a perda de energia térmica no ponto de conexão do termistor. 
O experimento foi montado igual a Figura 2 e 3.
FIGURA 2: Montagem do tubo e do relógio comparador sobre a base de expansão.
FIGURA 3: Desenho esquemático da montagem final para o experimento de dilatação de sólidos.
	Primeiro foi medido o L0 o comprimento do tubo de cobre a temperatura ambiente. Mediu-se da borda interna do pino de aço inox em uma extremidade até o lado interno do braço de apoio da ponta do relógio comparador que está fixado no tudo. Montou-se o tubo de cobre na base de expansão como mostrado na Figura 2. O pino de aço inox foi encaixado na fenda sobre o apoio. Empurrado a extremidade do relógio comparador para encaixar o braço do tubo e apertou-se o parafuso para fixar o pino de aço para evitar que o tubo se mova ao longo do comprimento. 
Foi colocado uma espuma isolante sobre o termistor como mostra a Figura 2, conectou os terminais do ohmímetro com conectores de pino banana rotulados como THERMISTOR no centro da base de expansão. A escala do ohmímetro foi colocada em 200kΩ, deixando-a estabilizar e foi anotado o valor de , RTA, a resistência do termistor a temperatura ambiente. 
Feito isso foi utilizado o tubo termoplástico para conectar o gerador de vapor a extremidade do tubo de cobre mais afastada do relógio comparador. O tubo de cobre deve esta levemente inclinado afim de promover que a água condensada no tubo possa ser drenada para um recipiente na sua outra extremidade.
O disco da escala do relógio comparador deve estar alinhado no ponto zero com a agulha indicadora (ponteiro). 
Por último foi ligado o gerador de vapor e avançado o reostato para a posição 8. Esperou-se iniciar a evaporação da água para começar o experimento.
Foi repetido o experimento para os tubos de Aço e o Alumínio. 
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Embora a dilatação térmica ocorra e todas as direções e sentidos (volumétrica), no caso particular deste experimento será tratado somente a dilatação linear, a qual é um caso especial da dilatação volumétrica. Pelo fato dos materiais analisados serem barras metálicas delgadas (cilíndricas), a dilatação em relação à largura e espessura (raio) é desprezível, pois é extremamente difícil mensurar a dilatação em termos do raio. Por isso considerou-se somente uma dimensão, o comprimento. A este fato, onde a dilatação ocorre de maneira significativa em apenas uma dimensão, denominasse dilatação linear.
A dilatação linear de uma barra depende apenas da temperatura desta e de um coeficiente, α, o qual é denominado coeficiente de dilatação linear. O coeficiente de dilatação linear é uma grandeza que não depende do formato do corpo, mas apenas do material que o constitui. Este, por sua vez, indica qual material ou substância dilata ou contrai-se mais do que outra. Quanto maior for, maior será a facilidade em dilatar, aumentando seu tamanho (a recíproca é verdadeira).
Apesar do coeficiente ser denominado linear, este é constante em apenas algunsintervalos de temperatura. Por isso, a análise experimental a partir deste ponto de não-linearidade pode ser desconsiderada.
A dilatação linear de um sólido pode ser descrita por meio da equação ondefLé o comprimento final da barra, 0Lé o comprimento inicial, é o coeficiente de dilatação linear do material que a constitui e T é a temperatura instantânea.
 O coeficiente de dilatação pode ser encontrado através da fórmula:
 Onde:
ΔL = Variação do comprimento
α = Coeficiente de dilatação linear
ΔT = Variação da temperatura
L0 = Comprimento inicial da barra
 Com o auxílio de uma trena, foi medido o tamanho inicial da barra de cobre, que acabou por servir para as demais, uma vez que os pontos de referência para medição foram os mesmos nos três casos. O comprimento inicial era:
L0 = 70cm ou 0,7m
 Por meio de um multímetro ligado no centro da barra foi possível medir sua resistência inicial, sendo os valores encontrados:
Ri cobre = 129 Ω
Ri alumínio = 113,5 Ω
Ri Aço = 111Ω
 A seguir as barras foram aquecidas, e à medida que isso acontecia, uma queda brusca da resistência era observada, até um ponto onde permanecia estática, e o relógio de medição começava a decrescer. Os valores das resistências finas, anotadas antes do ponteiro do relógio começar a cair, foram os seguintes:
Rf cobre = 9 Ω
Rf alumínio = 29,7 Ω
Rf Aço = 7,7 Ω
 Por meio do relógio de comparação foi possível encontrar a variação do comprimento ΔL para as três barras, sabendo que cada 10 unidades do relógio correspondiam a 0,1 mm de alteração. Portanto:
ΔL cobre = variou 92 unidades, ou seja, 0,92 mm ou 0,92 x 10-3 m 
ΔL Alumínio = variou 30 unidades, ou seja, 0,3 mm ou 0,3 x 10-3 m
ΔL Aço = variou 65 unidades, ou seja, 0,65 mm ou 0,65 x 10-3 m
 A temperatura inicial, foi medida com o auxílio do multímetro e de uma tabela presente no procedimento experimental, que relacionava a resistência com a temperatura. Os valores tabelados foram:
T0 Cobre = 19,5 ºC
T0 Alumínio = 22,5 ºC
T0 Aço = 23 ºC
 Após o aquecimento das barras, o mesmo procedimento acima foi utilizado para descobrir as temperaturas finais das barras:
Tf cobre = 85 ºC
Tf Alumínio = 53 ºC
Tf Aço = 90 ºC
 De posse desses dados foi possível calcular os coeficientes de dilatação através da fórmula:
Portanto:
 ºC-1
O valor teórico do cobre é de ºC-1
 = ºC-1
O valor teórico para o alumínio é de 24 x 10-6 ºC-1
 = ºC-1
O valor teórico para o Aço é de 12 x 10-6 ºC-1
CONCLUSÃO
Com o resultado é possível concluir que os resultados atingidos foram muito próximos dos resultados teóricos uma vez que não houve variação do número de casas decimais em nenhum caso. Apenas no caso do alumínio a diferença foi considerável, provavelmente, porque foi o metal que teve uma menor amplitude de variação no relógio, atingindo o ponto máximo muito rápido facilitando assim o erro do operador ou pode ter ocorrido devido à imprecisão dos aparelhos utilizados, medições ou impurezas na liga de alumínio, já que não conhecíamos a sua composição. Neste caso, outros materiais podem fazer parte da composição da liga, como o magnésio e o manganês, influenciando assim no coeficiente de dilatação linear da barra de alumínio.
REFERÊNCIAS E BIBLIOGRÁFICAS 
Halliday, D.; Resnick, R.; Walker,J, “Fundamentos de Física, vol 2” , 4 edição, 2002.
SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Princípios de Física : Movimento ondulatório e termodinâmica, Vol. 2 . São Paulo: Cengage Learning, 2008.
DILATAÇÃO TÉRMICA DOS SÓLIDOS. Disponível em: <http://www.brasilescola.com>física>termologia>. Acesso : 05 jun. 2017.