Relatório Física Experimental Prática 08

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Universidade Federal do Ceará
Física Experimental para Engenharia
Prática 8 – Dilatação Térmica
Giovanni Oliveira Confalonieri – 390266
Turma 10
Professor Fabrício
13/09/2016 – 16 horas.
Sumário
Objetivos..........................................................................................................................03 
Material............................................................................................................................03
Introdução.......................................................................................................................04
Procedimento..................................................................................................................05
Questionário.....................................................................................................................06
Conclusão........................................................................................................................08
Bibliografia......................................................................................................................09
Objetivos:
	Determinar, experimentalmente, o coeficiente de dilatação linear dos sólidos.
Material:
	Os materiais usados para a realização da prática são: 
Dilatômetro;
Tubos ocos de:
2. 1. Aço;
2. 2. Latão;
2. 3. Alumínio.
Kitasato (pyrex);
Termômetro;
Lâmina bimetálica;
Fita métrica;
Luvas térmicas;
Fogareiro elétrico.
Introdução:
	Quando um sólido é aquecido, aumenta-se o nível de agitação de suas moléculas e com isso, o sólido aumenta de tamanho (dilata). O efeito da dilatação térmica pode ser facilmente notado ao analisar eventos comuns do cotidiano: a maior dificuldade de se abrir um portão de um dia muito quente; a estratégia de se aquecer o gargalo de uma garrafa para a retirada da rolha, rolha essa que tem coeficiente de dilatação linear maior do que a garrafa.
	A dilatação linear de um sólido é verificada através de experimentos, onde nota-se que a variação do comprimento de uma barra depende do seu comprimento inicial e da variação de temperatura que ela sofre.
	Além do comprimento final, do inicial e da variação de temperatura, há ainda um último elemento importante da equação: o coeficiente de dilatação linear. Como já foi dito, existe uma estratégia em aquecer o gargalo de uma garrafa para retirar a rolha: na temperatura ambiente, a rolha está bem presa ao gargalo, porém ao esquentar o gargalo, e consequentemente a rolha, a última dilata mais do que o gargalo, quando comparadas as dilatações em relação à mesma variação de temperatura. Isso acontece porque a rolha tem um coeficiente de dilatação linear maior do que o gargalo. Generalizando, cada material (sólido) tem seu coeficiente de dilatação linear. Agora, com todos os membros devidamente apresentados, pode-se introduzir a equação da dilatação linear do sólido:
				Lf = Lo + α.Lo.ΔT
Ou ainda: 
			ΔL = α.Lo.ΔT
Ainda sobre isso, tem-se que o coeficiente de dilatação linear é dado por:
			α = ΔL / (Lo.ΔT)
Procedimento:
	1- A experiência foi montada segundo as instruções do professor. Foram tomadas as seguintes precauções:
1.1- O tubo escolhido foi suspenso nas hastes do dilatômetro (para cada tubo esse procedimento foi repetido).
1.2- Fixou-se o tubo na haste próxima à entrada de vapor de água e deixou-se a outra extremidade livre para mover o pino do relógio comparador.
1.3 – Foi verificado se o relógio comparador estava fixado na terceira haste de modo que o mesmo tocasse a extremidade fechada do tubo oco. Foi ainda necessário de lembrar-se de zerar o relógio comparador antes de começar a medição.
1.4- Posicionou-se a saída lateral do tubo inclinada para baixo. Isso facilitou a saída de água que eventualmente pudesse condensar dentro do tubo. Um recipiente para receber a água eventualmente condensada no tubo.
2- Mediu-se 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).
3- Anotou-se a temperatura inicial, t (temperatura ambiente).
4- Quando o ponteiro estacionou e comecou a sair vapor pela saída lateral do tubo oco, anotou-se, a temperatura final, t’ (temperatura do vapor d’água) e a medida da dilatação, ΔL (medida do relógio comparador).
5- O procedimento foi repetido para todas as outras duas amostras.
Segue a tabela com os resultados:
	MATERIAL
	Lo (cm)
	t (C)
	t ’ (C)
	ΔL (mm)
	α (1/C)
	AÇO
	52
	25,1
	99
	42,0*10-2
		1,093*10-5
	ALUMÍNIO
	53
	24,2
	99
	91,2*10-2
	2,3005*10-5
	LATÃO
	51,5
	24,7
	99
	67,3*10-2
	1,7588*10-5
Questionário:
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.
Na figura, vemos uma junta de dilatação de uma estrada de ferro. Justifique a necessidade de juntas de dilatação em estradas de ferro em função dos resultados da prática realizada.
Uma lâmina bimetálica consiste de duas tiras metálicas rebitadas e é utilizafa como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela funciona.
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?
Uma pequena esfera de alumínio pode atravessar um anel de aço. Entretanto, aquecendo a esfera, ela não conseguirá mais atravessar o anel. 
O que aconteceria se aquecessêmos o anel e não a esfera?
O que aconteceria se aquecessêmos igualmente o anel e a esfera? 
Por que a água não deve ser usada como substância termométrica?
Explique por que a superfície de um lago congela-se primeiro quando a temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero grau Celsius.
Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 30,8 cm a 100 C. Qual seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixar para 0C?
Soluções:
Comparação:
Aço - No experimento: αAÇO = 1,093*10-5 °C-1.
Na Literatura: 1,1.10-5 °C-1 e 1,2.10-5 °C-1 .
Erro percentual:5,2%
Latão – No Experimento: αLATÃO = 1,7588*10-5 °C-1.
Na Literatura: 1,89.10-5 °C-1.
Erro percentual:7,4%
Alumínio – Experimento: αALUMINIO =2,3005*10-5 °C-1.
Na literatura: 2,29.10-5 °C-1. 
Erro percentual:0,5%
Devido à falta de habilidade das pessoas que realizaram o experimento, pode-se concluir a significante diferença entre o valor obtido do valor que consta na Literatura.
Como vimos na prática, os materiais se dilatam quando expostos a um aumento de temperatura. Sendo assim, é necessário que haja essa junta para que, ao longo do dia quando o ferro dilatar, as duas peças não cheguem a se tocar, podendo danificar assim a estrada de ferro.
Duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes são unidas de uma forma bem coesa. Quando expostas a temperaturas mais elevadas do que a temperatura que foi fabricada, os metais sofrerão diferentes variações de comprimento e, desta forma, a lâmina irá ficar ligeiramente encurvada. Em um termostato, a lâmina serve para abrir e fechar o circuito elétrico, mantendo a temperatura constante. Quando a temperatura aumenta muito, a lâmina fica encurvada e desliga o circuito, a temperatura diminui e a lâmina volta ao seu estado inicial e liga novamente o circuito e fazendo com que o ciclo recomece.
Como o período no pêndulo é dado por T = , quando se aumenta a temperatura, L, que é o seu comprimento linear, aumenta e então, o período também aumenta. Com o período maior, o pêndulo demorará mais para realizar um ciclo e, consequentemente, irá atrasar cada vez mais.
Bom, é importante comparar os coeficientes de dilatação linear dos dois materiais.Logo, coeficiente de dilatação linear do alumínio é maior do que o coeficiente de dilatação linear do aço. Assim, com o aumento de temperatura, a esfera, que é de alumínio, vai dilatar mais do que o anel, que é de aço. 
Assim, se você aquecer somente o anel, o anel vai dilatar e a esfera vai continuar passando por ele. Porém, se você aquecer os dois, a cada grau de variação de temperatura, a esfera vai passar com mais dificuldade pelo anel, até que vai chegar um momento no qual a esfera vai ter dilatado suficientemente mais do que o anel, a ponto de a esfera não conseguir mais atravessar o anel.
Há duas principais razões para a água não ser usada como substância termométrica: A primeira é que a água possui um alto calor específico o que implica que a água necessita de energia e tempo considerável para variar de temperatura. A outra razão é que a água, em certas temperaturas, possui uma dilatação anômala, ou seja, ela se contrai em vez de dilatar.
Devido ao comportamento anômalo da água, o gelo, que é menos denso que a água líquida, flutua e troca calor com o ambiente. Desta forma, o gelo vai se acumulando na superfície do lago, enquanto que a água líquida continua no fundo até que, vagarosamente, perde temperatura e tornam-se gelo, continuando o processo de cima para baixo.
Como a área de um círculo é dada por e a equação de dilatação superficial A = Ao.(1+2αΔT), temos:
Área = π . (15.4) . (15.4) = 745,060 cm2
Área final = 745,060 . (1 - 2 . 23.10-6 . 100) = 741,163 cm2 = π. Rf2 ∴ Rf = 15.359 cm.
Conclusão:
	Pode-se ser determinado o coeficiente linear do material utilizado, e, através da prática, conseguiu-se a habilidade de determinar o coeficiente de qualquer material utilizando o dilatômetro. Concluiu-se que a dilatação térmica, como o próprio nome sugere, depende da temperatura e do material utilizado, pois cada material tem um coeficiente linear diferente. Conclui-se que alguns materiais possuem comportamentos anômalos como a água.
Bibliografia:
1. SEARS, W. Francis, ZEMANSKY, W. Mark, YOUNG, D. Hugh e FREEDMAN, A. Roger, Física 1. Décima segunda Edição - 2008. Pearson Addison Wesley. São Paulo.
2. ALONSO, Marcelo e FINN, Edward, Fısica, um curso universitário - Volume 1 Mecânica. Décima reimpressão - 2002. Editora Edgard Blucher Ltda.
3. NUSSENZVEIG, H. Moyses, Curso de Física Básica, Volume 1 Mecanica. Quarta Edição - 2002. Editora Edgard Blucher Ltda.
4. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert e KENNETH, Krane S., Física 1. Quinta Edição - 2003. LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora. S.A. Rio de Janeiro.
5. TIPLER, Paul A., MOSCA, Gene, Física para cientistas e engenheiros, Volume 1 Mecânica, Oscilações e Ondas, Termodinâmica. Sexta Edição, 2009. LTC – Livros Técnicos e Científicos. S. A. Rio de Janeiro.
6. CALÇADA, S. Caio. SAMPAIO, J. Luiz, Física Clássica, Volume 2 – Termologia, Óptica e Ondas. 1 edição, 2012. Saraiva S. A. São Paulo.