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DILATAÇÃO TÉRMICA Dilatação dos Sólidos Introdução Quando aquecemos um corpo, suas dimensões geralmente aumentam. Esse fenômeno é a dilatação térmica. Da mesma forma, quando resfriamos um corpo suas dimensões diminuem: trata-se, agora, da contração térmica. Para entender o fenômeno da dilatação térmica é preciso recordar o que falamos sobre temperatura. Com a elevação da temperatura as moléculas passam a se agitar mais intensamente, afastando-se umas das outras e provocando, com isso o aumento das dimensões do corpo, que é a dilatação térmica. Um sólido pode dilatar-se em todas as direções, mas, dependendo do caso, a dilatação pode ser considerada: • Linear: quando levamos em conta apenas a dilatação de uma dimensão (comprimento ou largura). • Superficial: quando levamos em consideração a dilatação da superfície, isto é, duas dimensões. • Volumétrica: quando consideramos a dilatação das três dimensões, ou seja, comprimento, altura e largura. Dilatação Linear (∆L) Dilatação Superficial (∆A) Dilatação Volumétrica (∆V) α, β e δ são os coeficientes de dilatação linear, superficial e volumétrica, respectivamente. L → comprimento. A → área. V → volume. O coeficiente de dilatação depende do material de que é feito o corpo. A tabela abaixo fornece alguns coeficientes de dilatação linear. Coeficiente de dilatação linear Substância (ºC–1) Alumínio 23 x 10-6 Cobre 17 x 10-6 Invar 0,7 x 10-6 Vidro (comum) 9,0 x 10-6 Zinco 25 x 10-6 Vidro (pirex) 3,2 x 10-6 Tungstênio 4 x 10-6 Chumbo 29 x 10-6 Sílica 0,4 x 10-6 Aço 11 x 10-6 Diamante 0,9 x 10-6 Importante: • β = 2α e δ = 3α • Quando um corpo possui cavidades ou furos, eles se dilatam como se estivessem preenchidos com o mesmo material do corpo. Dilatação de Corpos “Ocos” “Corpos ocos se dilatam como se não fossem ocos” Exemplo: • Lâmina bimetálica. BA EXERCÍCIOS 1- Num laboratório situado na orla marítima, uma haste de ferro de 50cm de comprimento está envolta em gelo fundente. Para a realização de um ensaio técnico, esta barra é colocada num recipiente contendo água em ebulição, até atingir o equilíbrio térmico. A variação de comprimento sofrida pela haste foi de: (Dado: Fθ = 1,2 . 10 -5 ºC-1). a) 12mm b) 6,0mm c) 1,2mm d) 0,60mm e) 0,12mm 2- O comprimento de uma barra de latão varia, em função da temperatura , segundo o gráfico a seguir: L0 L ∆L = L0 α ∆T A0 A ∆A = A0 β ∆T V0 V ∆V = V0 δ ∆T 0 100 θ ºC ℓ (cm) 50,1 50,0 A B CALOR A B Assim, o coeficiente de dilatação linear do latão, no interior de 0ºC a 100ºC, vale: a) 2,0 . 10-5 ºC-1 b) 5,0 . 10-5 ºC-1 c) 1,0 . 10-4 ºC-1 d) 2,0 . 10-4 ºC-1 e) 5,0 . 10-4 ºC-1 3- Uma placa tem área 5,000 m2 a 0ºC. Ao ter sua temperatura elevada para 100ºC, sua área passa a ser 5,004 m2. Determine o coeficiente de dilatação superficial da placa. a) 8,0 . 10-6 ºC-1 b) 6,0 . 10-6 ºC-1 c) 4,0 . 10-5 ºC-1 d) 3,0 . 10-4 ºC-1 e) 2,0 . 10-4 ºC-1 4- Uma estatueta de ouro foi aquecida de 25ºC a 75ºC, observando-se um aumento de 2,1 cm3 em seu volume. Sendo 14 . 10-6 ºC-1 o coeficiente de dilatação linear do ouro, qual era o volume dessa estatueta? a) 1 cm3 b) 10 cm3 c) 100 cm3 d) 1.000 cm3 e) 10.000 cm3 5- A figura a seguir representa uma lâmina bimetálica. O coeficiente de dilatação linear do metal A é a metade do coeficiente de dilatação linear do metal B. À temperatura ambiente, a lâmina está na vertical. Se a temperatura for aumentada em 200ºC, a lâmina: a) continuará na vertical. b) curvará para frente. c) curvará para trás. d) curvará para a direita. e) curvará para a esquerda. 6- Em uma casa emprega-se um cano de cobre de 4 m a 20°C para a instalação de água quente. O aumento do comprimento do cano, quando a água que passa por ele estiver a uma temperatura de 60°C, corresponderá, em milímetros, a: a) 1,02 b) 1,52 c) 2,72 d) 4,00 7- Nos ferros elétricos automáticos, a temperatura de funcionamento, que é previamente regulada por um parafuso, é controlada por um termostato constituído de duas lâminas bimetálicas de igual composição. Os dois metais que formam cada uma das lâminas têm coeficientes de dilatação α1 - o mais interno - e α2. As duas lâminas estão encurvadas e dispostas em contato elétrico, uma no interior da outra, como indicam as figuras a seguir. A corrente, suposta contínua, entra pelo ponto 1 e sai pelo ponto 2, conforme a figura 1, aquecendo a resistência. À medida que a temperatura aumenta, as lâminas vão se encurvando, devido à dilatação dos metais, sem interromper o contato. Quando a temperatura desejada é alcançada, uma das lâminas é detida pelo parafuso, enquanto a outra continua encurvando-se, interrompendo o contato entre elas, conforme a figura 2. Com relação à temperatura do ferro regulada pelo parafuso e aos coeficientes de dilatação dos metais das lâminas, é correto afirmar que, quanto mais apertado o parafuso: a) menor será a temperatura de funcionamento e α1 > α2 b) maior será a temperatura de funcionamento e α1 < α2 c) maior será a temperatura de funcionamento e α1 > α2 d) menor será a temperatura de funcionamento e α1 < α2 e) menor será a temperatura de funcionamento e α1 = α2 8- Gui Pádua, um brasileiro de 28 anos, quer bater o recorde mundial de tempo em queda livre, o período entre o salto em si e a abertura do pára-quedas. A marca pertence, desde 1960, ao americano Joseph Kittinger, que "despencou" durante quatro minutos e 32 segundos. A façanha do brasileiro só será possível graças a uma roupa especial, que deixa o sujeito parecido com um morcego e faz com que a descida seja em diagonal. Com isso, Pádua deverá cair com velocidade bem menor que Kittinger, 220 km/h, em média. O salto será feito de um avião Hércules da Aeronáutica posicionado a 12 km de altura em relação ao solo, onde a temperatura é de - 55 °C. Ele vai abrir o pára- quedas quando faltar 1 minuto para chegar ao chão, 5 minutos depois de ter saltado. Revista Época, 11 ago. 2003 (adaptado). Considere as informações apresentadas na reportagem acima e imagine que, no mesmo instante em que Gui Pádua saltar do avião, seja solta em queda livre, junto com ele, uma chapa de metal de 500 cm² de área, que cairá sobre uma elevação de 955m de altura em relação ao solo (despreze a resistência do ar e considere a aceleração da gravidade g = 10,0 m/s²). a) Qual será a diferença entre o tempo que a chapa levará para atingir a elevação e o tempo de queda de Gui Pádua, desde o momento do salto até o instante de abertura de seu pára-quedas? b) Considere que a placa, quando lançada, esteja a mesma temperatura externa do avião (-55 °C) e que o coeficiente de dilatação linear do metal que a constitui seja igual a 2,4 x 10–5 °C–1. Sendo a temperatura local de 40 °C, qual a dilatação por ela sofrida ao atingir a elevação? A B EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1- Uma esfera de ferro é aquecida de 20ºC até 180ºC. Sua massa específica: a) aumenta. b) diminui. c) poderá aumentar ou diminuir. d) não se modifica. e) primeiro aumenta, depois diminui. 2- O vidro pirex apresenta maior resistência no choque térmico do que o vidro comum,porque: a) possui alto coeficiente de rigidez. b) tem baixo coeficiente de dilatação térmica. c) tem alto coeficiente de dilatação térmica. d) tem alto calor específico. e) é mais maleável que o vidro comum. 3- Uma bolinha contendo 2000m de fio de cobre medido num dia em que a temperatura era de 35ºC, foi utilizada e o fio medido de novo a 10ºC. Esta nova medição indicou: Dado: = 2 . 10-5 ºC-1. a) 1,0m a menos. b) 1,0m a mais. c) 2000m. d) 20m a menos. e) 20mm a mais. 4- Uma porca está muito apertada no parafuso. O que se deve fazer para afrouxá-la? a) É indiferente esfriar ou esquentar a porca. b) Esfriar a porca. c) Esquentar a porca. d) É indiferente esfriar ou esquentar o parafuso. e) Esquentar o parafuso. 5- Duas lâminas de metais diferentes, M e N, são unidas rigidamente. Ao se aquecer o conjunto até uma certa temperatura esse se deforma, conforme mostra a figura a seguir: Com base na deformação observada, pode-se concluir que: a) O coeficiente de dilatação linear do metal M é menor do que o coeficiente de dilatação linear do metal N. b) A condutividade térmica do metal M é maior do que a condutividade térmica do metal N. c) A quantidade de calor absorvida pelo metal M é maior do que a quantidade de calor absorvida pelo metal N. d) O calor específico do metal M é maior do que o calor específico do metal N. e) O coeficiente de dilatação linear do metal M é maior do que o coeficiente de dilatação linear do metal N. 6- O princípio de um termostato pode ser esquematizado pela figura abaixo. Ele é constituído de duas lâminas de metais, A e B, firmemente ligadas. Sabendo-se que o metal A apresenta coeficiente de dilatação volumétrica maior que o metal B, um aumento de temperatura levaria a qual das condições abaixo? 7- A figura a seguir representa o comprimento de uma barra metálica em função de sua temperatura. A análise dos dados permite concluir que o coeficiente de dilatação linear do metal constituinte da barra é, em ºC-1: a) 4 . 10-5 b) 2 . 10-5 c) 4 . 10-6 d) 2 . 10-6 e) 1 . 10-6 8- Um quadrado foi montado com três hastes de alumínio ( Al = 24 . 10-6 ºC-1) e uma haste de aço ( Aço = 12 . 10-6 ºC-1), todas inicialmente à mesma temperatura. O sistema é, então, submetido a um processo de aquecimento, de forma que a variação de temperatura é a mesma em todas as hastes. Podemos afirmar que, ao final do processo de aquecimento, a figura formada pelas hastes estará mais próxima de um: a) quadrado. b) retângulo. c) losango. d) trapézio retângulo. e) trapézio isósceles. 9- Um bloco maciço de zinco tem forma de cubo, com aresta de 20cm a 50ºC. O coeficiente de dilatação linear médio do zinco é 25 . 10-6 ºC-1. O valor, em cm3, que mais se aproxima do volume desse cubo a uma temperatura de – 50ºC é: a) 8.060 b) 8.000 c) 7.980 d) 7.940 e) 7.700 0 50 t ºC ℓ (cm) 100,2 100,0 alumínio alumínio aço alumínio Metal M Metal N Temperatura T1 Temperatura T2 10- Uma determinada substância, ao ser aquecida de 27ºC para 127ºC, tem seu volume aumentado de 0,10%. O coeficiente de dilatação volumétrica da substância vale, em ºC-1: a) 1,0 . 10-1 b) 1,0 . 10-2 c) 1,0 . 10-3 d) 1,0 . 10-4 e) 1,0 . 10-5 11- Esta figura mostra um disco metálico de raio R com um orifício também circular, concêntrico, de raio r. À temperatura t• = 20 °C, a relação entre esses raios é R = 2r. À temperatura t‚ = 40 °C, a relação entre os raios do disco R' e do orifício r' será a) R' = r' b) R' = 2r' c) R' = 3r' d) R' = 4r' e) indefinida, porque depende do coeficiente de dilatação do material. 12- Um anel metálico tem um diâmetro de 49,8 mm a 20°C. Deseja-se introduzir nesse anel um cilindro rígido com diâmetro de 5 cm. Considerando o coeficiente de dilatação linear do metal do anel como 2 × 10-¦ °C-¢, assinale a menor temperatura em que o anel deve ser aquecido para permitir essa operação. a) 130 °C b) 250 °C c) 220 °C d) 200 °C GABARITO 1- B 2- B 3- A 4- C 5- E 6- D 7- A 8- E 9- D 10- E 11- B 12- C DILATAÇÃO TÉRMICA Dilatação dos Líquidos Introdução Ao analisar a dilatação dos líquidos devemos levar em conta três fatores: ❖ Como não tem forma definida, os líquidos só apresentam dilatação volumétrica. ❖ Um líquido geralmente está contido num recipiente sólido, que também varia de volume ao ser aquecido. ❖ Na maior parte dos casos, a dilatação de líquidos é maior do que a de sólidos. Considere o frasco esquematizado abaixo de capacidade igual a 10L e completamente cheio com água. O sistema é aquecido, e o frasco dilata 2L, enquanto a água dilata 3L. A dilatação real do líquido foi igual a 3L enquanto a dilatação do frasco foi igual a 2L, conseqüentemente, ocorreu um extravasamento de 1L. O volume de líquido que extravasou é denominado de dilatação aparente do líquido. L3Vreal = L2Vfrasco = L1Vaparente = Portanto: aparentefrascoreal VVV += Dilatação anômala da água Existem algumas substâncias, entre elas a água, que, ao serem aquecidas, durante um certo intervalo de temperatura, sofrem uma diminuição de volume. Esse estranho comportamento térmico pode ser observado ao fornecermos calor a uma certa quantidade de água que se encontra inicialmente à temperatura de 0ºC. Quando a temperatura é aumentada de 0ºC até 4ºC, observa-se uma contração de seu volume. Elevando-se a temperatura acima de 4ºC, ela se dilata normalmente. Essa anormalidade, que ocorre entre 0ºC e 4ºC, acontece porque as moléculas de H2O apresentam fortes ligações polares, chamadas pontes de hidrogênio. Durante o seu aquecimento, até 4ºC, o rompimento dessas ligações predomina sobre o distanciamento intermolecular e ocorre a contração volumétrica. Acima dessa temperatura, o distanciamento intermolecular prevalece e a água se expande normalmente, como a grande maioria das substâncias. 10L 12L 1L Concluímos que, à temperatura de 4ºC, o volume V de uma certa porção de água de massa m é o menor possível e, por conseguinte, a sua densidade d atinge o maior valor (d = m/V). Esse valor máximo para a densidade da água, próximo aos 4ºC, é o fator principal que explica por que nos países de inverno rigoroso a superfície de certos lagos se congela, permanecendo líquida a água no fundo, mesmo sob baixíssimas temperaturas ambientais. Quando a temperatura começa a cair, a água se resfria e, por convecção, desce. Ao atingir 4ºC, a porção de água desce e fica no fundo, pois a essa temperatura sua densidade é máxima. Se a temperatura ambiente continuar caindo e atingir 0ºC, a superfície do lago se congela, mas a água abaixo dela permanece líquida, o que garante a sobrevivência de várias espécies animais e vegetais. Contribui para isso o fato de a camada de gelo que se forma ser um bom isolante térmico. Variação do volume com a temperatura Variação da massa especifica com a temperatura EXERCÍCIOS 1- Quando aquecemos um recipientecompletamente cheio de líquido, este transborda. O volume do líquido que transborda mede a dilatação: a) relativa do líquido. b) do líquido mais a do frasco. c) aparente do líquido. d) real do líquido. e) real do frasco. 2- A 20ºC, um líquido de coeficiente de dilatação volumétrica igual a 3 x 10-3 ºC-1 preenche totalmente um recipiente de capacidade térmica igual a 50L e coeficiente de dilatação volumétrica igual a 2 x 10-3 ºC-1. Se a temperatura do conjunto for elevada para 50ºC, determine: a) a dilatação real sofrida pelo líquido b) o volume real do líquido a 50ºC c) a dilatação sofrida pelo recipiente d) a capacidade do recipiente a 50ºC e) o volume do líquido que extravasa. 3- Um caminhão-tanque é abastecido na refinaria às 4 horas da manhã a uma temperatura ambiente de 15ºC, com 10 mil litros de combustível. Após trafegar sob o sol várias horas, o caminhão descarrega todo o combustível no posto, a uma temperatura ambiente de 40ºC. Sendo o coeficiente de dilatação volumétrica do combustível 1,2 x 10-3 ºC-1, o volume adicional descarregado pelo caminhão é, aproximadamente, igual a: a) 50 litros. b) 100 litros. c) 200 litros. d) 300 litros. e) 400 litros. 4- A 10°C, 100 gotas idênticas tem um líquido ocupam um volume de 1,0 cm³. A 60°C, o volume ocupado pelo líquido é de 1,01 cm³. Adote: calor específico da água: 1 cal/g.°C Calcule: a) A massa de 1 gota de líquido a 10°C, sabendo-se que sua densidade, a esta temperatura, é de 0,90 g/cm³. b) o coeficiente de dilatação volumétrica do líquido. 5- Pela manhã, com temperatura de 10°C, João encheu completamente o tanque de seu carro com gasolina e pagou R$33,00. Logo após o abastecimento deixou o carro no mesmo local, só voltando para buscá-lo mais tarde, quando a temperatura atingiu a marca de 30°C. Sabendo-se que o combustível extravasou, que o tanque dilatou e que a gasolina custou R$1,10 o litro, quanto João perdeu em dinheiro? Dado: Coeficiente de dilatação térmica da gasolina igual a 1,1×10–3 °C–1 6- Considere um recipiente R cujo volume interno encontra-se totalmente preenchido por um corpo maciço C e um determinado líquido L, conforme o esquema a seguir. A tabela a seguir indica os valores relevantes de duas das propriedades físicas dos elementos desse sistema. Admita que o sistema seja submetido a variações de temperatura tais que os valores das propriedades físicas indicadas permaneçam constantes e que o líquido e o corpo continuem a preencher completamente o volume interno do recipiente. Calcule a razão que deve existir entre a massa MÝ do corpo e a massa M do líquido para que isso ocorra. T > 4ºC Lago água fria desce água quente sobe Gelo (0ºC) Lago 4ºC T = 0ºC T = 4ºC T > 4ºC 7- Quando aumentamos a temperatura dos sólidos e dos líquidos, normalmente seus volumes aumentam. Entretanto, algumas substâncias apresentam um comportamento anômalo, como é o caso da água, mostrado no gráfico a seguir. Assinale a afirmativa CORRETA. a) O volume da água aumenta e sua densidade diminui, quando ela é resfriada abaixo de 4°C. b) Entre 4°C e 0°C, a diminuição de temperatura faz com que a água se torne mais densa. c) Quando a água é aquecida, a partir de 4°C sua densidade e seu volume aumentam. d) Quando a água está a 4°C, ela apresenta a sua menor densidade. 8- Um frasco de capacidade para 10 litros está completamente cheio de glicerina e encontra-se à temperatura de 10°C. Aquecendo-se o frasco com a glicerina até atingir 90°C, observa-se que 352 ml de glicerina transborda do frasco. Sabendo-se que o coeficiente de dilatação volumétrica da glicerina é 5 × 10-4°C–1, determine o coeficiente de dilatação linear do frasco é, em °C–1. EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1- Um recipiente de vidro de capacidade 2,0 x 102 cm3 está completamente cheio de mercúrio, a 0ºC. Os coeficientes de dilatação volumétrica do vidro e do mercúrio são, respectivamente, 4,0 x 10-5 ºC-1 e 1,8 x 10-4 ºC-1. Aquecendo o conjunto a 100ºC, o volume de mercúrio que extravasa, em cm3, vale: a) 2,8 x 10-4 b) 2,8 x 10-3 c) 2,8 x 10-2 d) 2,8 x 10-1 e) 2,8 2- Um recipiente de vidro, cujas paredes são finas, contém glicerina. O conjunto se encontra a 20ºC. O coeficiente de dilatação linear do vidro é 27 x 10-6 ºC-1 e o coeficiente de dilatação volumétrica da glicerina é 5,0 x 10-4 ºC-1. Se a temperatura do conjunto se elevar para 60ºC, pode-se afirmar que o nível da glicerina no recipiente: a) baixa, porque a glicerina sofre um aumento de volume menor do que o aumento na capacidade do recipiente. b) se eleva, porque a glicerina aumenta de volume e a capacidade do recipiente diminui de volume. c) se eleva, porque apenas a glicerina aumenta de volume. d) se eleva, apesar da capacidade do recipiente aumentar. e) permanece inalterado, pois a capacidade do recipiente aumenta tanto quanto o volume de glicerina. 3- Misturando-se convenientemente água é álcool, é possível fazer com que uma gota de óleo fique imersa, em repouso, no interior dessa mistura, como exemplifica o desenho a seguir. Os coeficientes de dilatação térmica da mistura e do óleo valem, respectivamente, 2,0 x 10-4 ºC-1 e 5,0 x 10-4 ºC-1. Esfriando-se o conjunto e supondo-se que o álcool não evapore, o volume da gota: a) diminuirá e ela tenderá a descer. b) diminuirá e ela tenderá a subir. c) diminuirá e ela permanecerá em repouso. d) aumentará e ela tenderá a subir. e) aumentará e ela tenderá a descer. 4- O dono de um posto de gasolina recebeu 4000 litros de combustível por volta das 12 horas, quando a temperatura era de 35ºC. Ao cair da tarde, uma massa polar vinda do Sul baixou a temperatura para 15ºC e permaneceu até que toda a gasolina fosse totalmente vendida. Qual foi o prejuízo, em litros de combustível, que o dono do posto sofreu? Dado: coeficiente de dilatação do combustível é 1,0 x 10-3 ºC-1. a) 4 litros. b) 80 litros. c) 40 litros. d) 140 litros. e) 60 litros. 5- Um copo de vidro de capacidade 100cm3, a 20,0ºC, contém 98,0cm3 de mercúrio a essa temperatura. O mercúrio começará a extravasar quando a temperatura do conjunto, em ºC, atingir o valor de: Dados os coeficientes de dilatação cúbica: Mercúrio = 180 x 10-6 ºC-1. Vidro = 9,00 x 10-6 ºC-1. a) 300 b) 240 c) 200 d) 160 e) 140 6- Um frasco de vidro, cujo coeficiente de dilatação volumétrica é 3 x 10-4 ºC-1, tem, a 20ºC, capacidade de 1000cm3, estando a essa temperatura completamente cheio por um líquido. Ao se elevar a temperatura para 120ºC, transbordam 50cm3. Determine o coeficiente de dilatação aparente e o coeficiente de dilatação real do líquido em ºC-1. a) 5 x 10-4 e 6 x 10-4. b) 6 x 10-4 e 9 x 10-4. c) 7 x 10-4 e 3 x 10-4. d) 8 x 10-4 e 5 x 10-4. e) 5 x 10-4 e 8 x 10-4. 7- A água, substância fundamental para a vida no Planeta, apresenta uma grande quantidade de comportamentos anômalos. Suponha que um recipiente, feito com um determinado material hipotético, se encontre completamente cheio de água a 4°C. De acordo com o gráfico e seus conhecimentos, é correto afirmar que a) apenas a diminuição de temperatura fará com que a água transborde. b) tanto o aumento da temperatura quanto sua diminuição não provocarão o transbordamento da água. c) qualquer variação de temperatura fará com que a água transborde. d) a água transbordará apenas para temperaturas negativas. e) a água não transbordará com um aumento de temperatura, somente se o calor específico da substância for menor que o da água.água + álcool óleo 8- Os postos de gasolina, são normalmente abastecidos por um caminhão-tanque. Nessa ação cotidiana, muitas situações interessantes podem ser observadas. Um caminhão-tanque, cuja capacidade é de 40.000 litros de gasolina, foi carregado completamente, num dia em que a temperatura ambiente era de 30°C. No instante em que chegou para abastecer o posto de gasolina, a temperatura ambiente era de 10°C, devido a uma frente fria, e o motorista observou que o tanque não estava completamente cheio. Sabendo que o coeficiente de dilatação da gasolina é 1,1×10-3°C-1 e considerando desprezível a dilatação do tanque, é correto afirmar que o volume do ar, em litros, que o motorista encontrou no tanque do caminhão foi de a) 40.880. b) 8.800. c) 31.200. d) 4.088. e) 880. GABARITO 1- E 2- D 3- A 4- B 5- E 6- E 7- C 8- E
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