09.DilataçaoTermica - Física Experimental para Engenharia - UFC

Prévia do material em texto

FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA – CD0328 
 
 
 
 
PRÁTICA 09 
DILATAÇÃO TÉRMICA 
 
 
 
 
 
 
Breno Oliveira da Silva 359580 
Turma 04A 
 
 
Prática realizada no dia 26/09/2017 às 08:00 h. 
Professor Heitor. 
 
 
 
Fortaleza – Ceará 
Outubro de 2017 
OBJETIVOS 
- Determinação do 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. 
 
FUNDAMENTOS 
A variação de temperatura produz um efeito que altera a dimensão dos corpos 
sólidos. Este efeito é chamado de Dilatação térmica. 
Analisando a variação em apenas uma dimensão do corpo estudado, temos a 
dilatação linear. Podemos observar essa dilatação em objetos como: cabos, fios, 
barras, tubos. No nosso experimento analisaremos materiais com formas de tubos. 
Considerando um tubo com comprimento L0 numa temperatura t, ao variarmos 
essa temperatura em Δt chegando à temperatura t’ (t’ > t) e observamos um novo 
comprimento L do tubo (L > L0). E isso pode ser equacionado da seguinte forma: 
ΔL = α.L0. Δt 
Onde α é o coeficiente de dilatação linear. 
Isolando α na equação temos: 
α = ΔL / L0.Δt 
Utilizando um aparelho chamado de dilatômetro podemos medir a variação de 
comprimento do tubo. O dilatômetro é mostrado na figura a seguir: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Dilatômetro. 
 Conectando o tubo através de uma mangueira em um recipiente com água em 
ebulição faz-se com que a temperatura do tubo varie e ocorra a dilatação linear, que 
pode ser medida pelo relógio comparador encostado na extremidade do tubo. 
 
PROCEDIMENTO 
1- Montamos a experiência conforme indica a Figura 1. Tomando as seguintes 
precauções: 
1.1 Suspendemos o tubo escolhido nas hastes de sustentação do dilatômetro. 
1.2 Fixamos o tubo na haste próxima à entrada de vapor de água e deixamos a 
outra extremidade livre para mover o pino do relógio comparador. 
1.3 Verificamos se o relógio comparador estava fixado na terceira haste de modo 
que o mesmo toque a extremidade fechada do tubo oco. Zeramos o relógio 
comparador antes de iniciar o aquecimento. Para isso giramos o mostrador 
do relógio até que o “zero” coincidisse com a posição do ponteiro. 
1.4 Posicionamos a saída lateral do tubo inclinada para baixo. Isso facilita a saída 
de água que eventualmente venha a se condensar dentro do tubo. 
Colocamos um recipiente para receber a água eventualmente condensada 
no tubo. 
2- Medimos o comprimento L0, à temperatura inicial, da porção do tubo 
considerada na dilatação (comprimento do tubo entre o ponto de fixação, na 
haste próxima a extremidade do mesmo por onde se dá a entrada do vapor de 
água e a extremidade fechada que toca o relógio comparador). Anotamos na 
Tabela 1. 
3- Anotamos a temperatura inicial, t (temperatura ambiente). 
4- Quando o ponteiro estacionou e estava saindo vapor pela saída lateral do tubo 
oco, anotamos a temperatura final, t’ (temperatura do vapor d’água) e a medida 
da dilatação, ΔL (medida do relógio comparador). 
5- Repetimos o procedimento para os outros tubos. 
6- Indicamos na Tabela 1 as unidades utilizadas. 
 
Tabela 1. Resultados experimentais. 
MATERIAL L0 (cm) t (°C) t’ (°C) ΔL (mm) α (°C-1) 
AÇO 52,5 24,8 99,8 0,23 5,84 x 10-6 
ALUMÍNIO 53,4 25,0 99,8 0,94 2,35 x 10-5 
LATÃO 52,0 24,7 99,8 0,73 1,87 x 10-5 
 
7- Determinamos o coeficiente de dilatação linear de cada material fornecido. 
Aço 
α = ΔL / L0.Δt 
α = 0,023 / 52,5 . 75 
α = 0,023 / 3937,5 
α = 0,00000584 = 5,84 x 10-6 °C-1 
Alumínio 
α = ΔL / L0.Δt 
α = 0,094 / 53,5 . 74,8 
α = 0,094 / 4001,8 
α = 0,00002349 = 2,35 x 10-5 °C-1 
Latão 
α = ΔL / L0.Δt 
α = 0,073 / 52,0 . 75,1 
α =0,073 / 3905,2 
α = 0,00001869 = 1,87 x 10-5 °C-1 
 
8- Observamos o comportamento de uma lâmina bimetálica de modo a responder 
a questão 3. 
Figura 2. Lâmina bimetálica antes do aquecimento. 
QUESTIONÁRIO 
1- Compare o coeficiente de dilatação linear encontrado experimentalmente 
para cada material fornecido com os valores respectivos da literatura. 
Indique o erro percentual em cada caso. 
MATERIAL 
COEFICIENTE 
EXPERIMENTAL (°C-1) 
COEFICIENTE 
LITERÁRIO (°C-1) 
ERRO 
PERCENTUAL (%) 
Aço 5,84 x 10-6 1,2 x 10-5 - 51,33 
Alumínio 2,35 x 10-5 2,2 x 10-5 6,81 
Latão 1,87 x 10-5 2,0 x 10-5 - 6,50 
 
2- Na figura abaixo vemos uma junta de dilatação em uma estrada de ferro. 
Justifique a necessidade de juntas de dilatação em estradas de ferro em 
função dos resultados da prática realizada. 
Figura 3. Juntas de dilatação em uma estrada de ferro. 
As juntas se fazem necessárias pois durante o dia a temperatura pode 
aumentar com a incidência do sol e diminuir durante a noite, causando uma 
variação no comprimento do trilho, que se estiver encostado no outro vai 
força-lo causando uma deformação no mesmo. 
 
3- Uma lâmina bimetálica consiste de duas tiras metálicas rebitadas e é utilizada 
como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela 
funciona. 
A lâmina é composta por duas substâncias que tem coeficientes de dilatação 
linear diferentes. Quando a temperatura varia cada material se comporta de 
uma maneira, variando o comprimento (ΔL) de acordo com seu coeficiente. 
Essa variação diferente no comprimento faz com que a lâmina se curve para 
cima ou pra baixo de acordo com a disposição do material. 
 
4- 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 adiantar, atrasar ou permanece marcando as horas corretamente? 
Sabendo que o período do pêndulo é definido pela equação: T = 2π√(
𝐿
𝑔
) e 
que se a temperatura aumentar o comprimento L do pêndulo também 
aumentará, notamos que o período T do pêndulo aumentará, fazendo com 
que cada oscilação demore mais tempo para se completar, fazendo assim 
com que o relógio se atrase. 
 
5- Uma pequena esfera de alumínio pode atravessar um anel de aço. 
Entretanto, aquecendo a esfera, ela não conseguirá mais atravessar o anel. 
(a) O que aconteceria se aquecêssemos o anel e não a esfera? (b) O que 
aconteceria se aquecêssemos igualmente o anel e a esfera? 
a) Aquecendo o anel faríamos com que seu diâmetro aumentasse e a esfera 
passaria com mais facilidade. 
b) Aquecendo os dois de forma igual a esfera de alumínio não passaria pelo 
anel que é feito de aço e tem coeficiente de dilatação linear menor. Desta 
forma a esfera dilataria mais que o anel. 
 
6- Por que a água não deve ser usada como substância termométrica? 
Porque a água é uma substância anômala, com comportamento diferente 
da maioria das substâncias. Em algumas variações positivas de temperatura 
a água contrai, diferente das outras substâncias que expandiriam. E vice-
versa. Além disso, a água tem alto calor específico, o que faz necessário 
muita energia e tempo para esta variar de temperatura. 
 
7- Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a 
temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero grau 
Celsius. 
Devido à dilatação anômala da água, o gelo que tem menor densidade, flutua 
sobre a água líquida, mantendo-se na superfície. A água na parte inferior vai 
perdendo calor gradativamente e o congelamento vai acontecendo de cima 
pra baixo. 
 
8- Um orifício circular numa lâmina de alumíniotem diâmetro de 40,6 cm a 
100°C. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixar para 
0°C? (α = 23 x 10-6 °C-1). 
Se o diâmetro é 40,6 cm, o comprimento da circunferência é 127,55 cm. 
α = ΔL / L0.Δt 
23 x 10-6 = ΔL /127,55.(0 - 100) 
23 x 10-6 = ΔL /(-12755) 
ΔL = - 0,29 cm 
Como o novo comprimento é 127,26, o novo diâmetro é 40,51 cm. 
 
 
CONCLUSÃO 
Concluímos a prática conhecendo o fenômeno da dilatação linear, bem como as 
suas características e consequências. Vimos ainda, que através do dilatômetro podemos 
estimar o coeficiente de dilatação linear de vários materiais. 
Alguns fatores podem ter motivado a diferença entre o valor literário e o 
experimental dos coeficientes de dilatação encontrados nesta prática, como a falta de 
precisão da trena para medida com comprimento do tubo, a variação de temperatura 
do vapor d’água do momento que sai do recipiente até a entrada do tubo ou até mesmo 
uma leitura errada de alguma medida por parte aluno. 
O maior erro percentual encontrado foi no experimento com o tubo de aço que 
foi de - 51,33 %. Diante de um erro tão grande, acredita-se que a causa pode ter sido o 
erro na leitura ou na transcrição da variação do comprimento. 
Apesar desses fatores, o erro de 6,81% no tubo de alumínio e de - 6,50% no tubo 
de latão demostra que o experimento foi realizado com sucesso e que é bastante válido 
para realizar a estimativa do coeficiente de dilatação linear dos materiais. 
Por fim, consideramos essa prática bem proveitosa e de fundamental 
importância para o conhecimento do aluno de engenharia. 
 
BIBLIOGRAFIA 
ROTEIRO DE AULAS PRÁTICAS DE FÍSICA 2017 – UFC 
 
Dilatação Linear 
Disponível em: 
http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Dilatacao/linear.php 
Acessado em 08/10/2017 às 09:30h. 
Coeficiente de Dilatação Linear 
Disponível em: 
https://www.ucb.br/sites/100/118/Laboratorios/Calor/DilatacaoLinear.pdf 
Acessado em 08/10/2017 às 10:10h. 
 
Figura 1 
Disponível em: 
http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=azed&cod=_dilatometrolinear 
Acessado em 08/10/2017 às 11:20h. 
Figura 2 
Disponível em: http://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/lamina-
bimetalica.htm 
Acessado em 08/10/2017 às 11:40h. 
Figura 3 
Disponível em: ROTEIRO DE AULAS PRÁTICAS DE FÍSICA 2017 - UFC