prática 9- Dilatação térmica

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Universidade Federal do Ceará-UFC 
Centro de Ciências 
Departamento de Física 
Disciplina de Física Experimental para Engenharia 
Semestre 2018.2 
 
 
 
PRÁTICA 09 
DILATAÇÃO TÉRMICA 
 
 
 
 
Aluno: Fabrício Soares do Nascimento 
Curso: Engenharia Metalúrgica 
Matrícula: 418831 
Turma: 14A 
Professora: Jefferson Mendes 
Data de Realização da Prática: 18/09/2018 
Horário de Realização da Prática: 14: 00hs ás 16: 00hs 
Data de Entrega: 02/10/2018 
 
 
 
FORTALEZA-CE 2018 
1. OBJETIVOS 
- Determinação do coeficiente de dilatação linear de sólidos; 
- Verificar o comportamento de uma lâmina bimetálica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. MATERIAL 
- Dilatômetro; 
- Tubos ocos de: aço, latão e alumínio; 
- Relógio comparador; 
- Kitasato (pyrex); 
- Termômetro; 
- Lâmina bimetálica; 
- Fita métrica; 
- Luvas térmicas; 
- Fogareiro elétrico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. INTRODUÇÃO 
Um corpo tende a aumentar a sua energia interna quando submetido a um aumento de 
temperatura, o que ocasiona consequentemente o aumento das vibrações e o 
distanciamento dos átomos que constituem o corpo, o que leva o corpo a aumentar as 
suas dimensões, ou seja o corpo sofre uma dilatação térmica, que nada mais é do que 
uma variação nas dimensões do corpo devido a um aumento de temperatura. 
Nos sólidos a dilatação é classificada em: 
Dilatação linear- leva em consideração o aumento de volume ocorrido em apenas uma 
dimensão, no comprimento do corpo. Um exemplo de dilatação linear é o fio, onde o 
seu comprimento é maior que a sua espessura; 
ΔL = L0xαxΔT, Onde: 
ΔL- Variação do comprimento (m ou cm); 
L0- Comprimento inicial (m ou cm); 
α - Coeficiente de dilatação linear (ºC-1); 
ΔT-Variação de temperatura (ºC). 
Dilatação superficial- leva em consideração o aumento do volume ocorrido em duas 
dimensões, comprimento e largura. Um exemplo de dilatação superficial pode ser 
observado em uma chapa de metal, que quando submetido a um aumento de 
temperatura se dilata em comprimento e espessura. 
ΔA = A0xβxΔT, Onde: 
ΔA- Variação da área (m2 ou cm2); 
A0- Área inicial (m
2 ou cm2); 
Β- Coeficiente de dilatação superficial (ºC-1); 
ΔT: Variação de temperatura (ºC). 
Vale lembrar que β=2xα. 
 
 
 
 
Dilatação volumétrica- leva em consideração o aumento do volume ocorrido em três 
dimensões, comprimento, largura e altura. Um exemplo de dilatação volumétrica 
acontece com uma barra de ouro. 
ΔV = V0xγxΔT, Onde: 
ΔV- Variação do volume (m3 ou cm3); 
V0- Volume inicial (m
3 ou cm3); 
γ - Coeficiente de dilatação volumétrica (ºC-1); 
ΔT-Variação de temperatura (ºC). 
Vale lembrar que γ =3xα. 
Com essa explicação básica sobre os três tipos de dilatação nos sólidos, iremos dar mais 
ênfase a dilatação linear, pois no experimento que será abordado posteriormente a 
dilatação linear será bastante importante para o entendimento do experimento. 
Como já sabemos a dilatação linear provoca no material um aumento no seu 
comprimento, devido a vibração e distanciamento dos átomos do corpo, ocasionado 
pelo aumento da temperatura, onde o corpo absorve a energia e vem a se dilatar. No 
exemplo abaixo poderemos observar com mais clareza a dilatação linear de um certo 
corpo. 
 
Figura 1- exemplo de dilatação linear 
(https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/dilatacao-linear.htm) 
Como podemos notar na figura acima, o corpo sofreu um aumento do seu comprimento, 
devido à o aumento de temperatura. 
 
 
 
4. PROCEDIMENTO 
 
Figura 2- Dilatômetro Linear 
(http://www.ebah.com.br/content/ABAAABgpgAJ/modelo-experimento-dilatacao-
termica) 
 
Para a realização deste experimento é crucial que sigamos os seguintes passos: 
Passo 1- Escolhemos um dos três tubos e o suspendemos nas hastes de sustentação do 
dilatômetro; 
Passo 2- Fixamos o tubo na haste próxima ao vapor de água e deixamos a outra ponta 
do tubo livre para que o pino do relógio comparador se mova durante a dilatação do 
tubo; 
Passo 3- Verificamos se o relógio comparador estava fixado na terceira haste, de modo 
que o pino do relógio comparador esteja encostado na parte fechada do tubo oco, 
verificamos também antes de começar a aquecimento se o relógio comparador estava 
zerado, caso ele não estivesse, teríamos que girar o mostrador do relógio até que o 
“zero” coincidisse com a posição do ponteiro; 
Passo 4- Posicionamos a saída lateral do tubo inclinada para baixo e colocamos um 
recipiente para receber a água condensada durante o experimento. 
Com o experimento montado medimos o comprimento inicial do tubo escolhido 
(comprimento entre a haste de fixação do tubo e a extremidade fechada que encosta no 
pino do relógio) e a temperatura inicial do tubo. 
 Com as medidas devidamente realizadas e anotadas ligamos o fogareiro e aguardamos 
até que o vapor de água começasse a sair pela lateral do tubo e o ponteiro do relógio 
estacionasse, ou seja, não variasse mais. 
Com essa situação acontecendo realizamos novas medidas, desta vez medimos o 
comprimento final do tubo (medida marcada pelo relógio comparador) e a temperatura 
final (temperatura do vapor de água). 
Repetimos o mesmo procedimento para os outros tubos e anotamos na tabela abaixo. 
Tabela 1- Resultados experimentais 
MATERIAL L0(mm) t(ºC) t´(ºC) ΔL(mm) α (ºC-1) 
ALUMÍNIO 520 23,5 95,0 0,85 22,90x10-6 ºC-1 
LATÃO 520 23,7 95,0 0,65 17,50 x10-6 ºC-1 
AÇO 520 24,0 95,0 0,28 7,48x10-6 ºC-1 
 
Com os resultados da tabela 1 determinamos o coeficiente de dilatação linear de cada 
material. 
Aço 
α = ΔL/ L0(t´-t) 
 α = 
0,28
520𝑥71
= 7,48x10-6 ºC-1 
 
Alumínio 
α = ΔL/ L0(t´-t) 
 
 α = 
0,85
520𝑥71,5
= 22,9x10-6 ºC-1 
 
Latão 
α = ΔL/ L0(t´-t) 
 
 α = 
0,65
520𝑥71,3
= 17,5 x10-6 ºC-1 
 
 
 
 
Após determinar o coeficiente linear de cada material, observamos o comportamento de 
uma lâmina bimetálica, enquanto o professor explicava o seu funcionamento. 
A explicação para o funcionamento da lâmina bimetálica será cobrado na questão 5.3. 
 
 
Figura 3- Lâmina antes do aquecimento 
(https://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/lamina-bimetalica.htm) 
 
 
Figura 4- Lâmina depois do aquecimento 
(https://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/lamina-bimetalica.htm) 
 
 
 
 
5. QUESTIONÁRIO 
5.1- Compare o coeficiente de dilatação linear encontrado experimentalmente para 
cada material fornecidos com os valores respectivos da leitura. Indique o erro 
percentual em cada caso. 
De acordo com os dados obtidos na tabela 1, temos que: 
αAço = 7,48x10-6 °C-1; αAlumínio = 22,90x10-6 °C-1; αLatão = 17,50x10-6 °C-1. 
Comparando os valores experimentais com os de leitura, temos os seguintes erros 
percentuais: 
 Aço 
7,48x10-6 -----------100% 
 12x10-6-----------x 
 X=160,42% 
Erro percentual=60,42% 
Alumínio 
22,90x10-6-----------100% 
 24x10-6-----------x 
 X=104,80 
Erro percentual=4,80% 
Latão 
 17,50x10-6-----------100% 
 20x10-6-----------x 
X=114,28% 
Erro percentual=14,28% 
 
5.2- Na figura 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 5-Juntas de Dilatação 
(https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/dilatacao-superficial-dos-solidos.htm) 
 
Como foi notado durante os experimentos, um corpo quando submetido a um 
aumento de temperatura, ou seja, ele é aquecido, ele acaba por sofrer uma dilatação 
térmica, o que ocasiona um aumento no seu comprimento. No caso das estradas de ferro 
o uso das juntas de dilatação térmica se explica pelo fato de que quando o trem passa 
sobre os trilhos, os trilhos acabam se aquecendo rapidamente, vindo assim a aumentar o 
seu tamanho e se as juntas de dilatação não fossem utilizadas os trilhos iriam se 
deformar, o que causaria sem sombra de dúvidas o descarrilamento do trem. 
5.3- Uma lâmina bimetálica consiste de duas tiras metálicas rebitadas e é utilizada 
como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela funciona. 
Como sabemos a lâmina bimetálica é constituída por duas tiras metálicas de materias 
diferentes e a sua utilização como elemento de controle em um termostato está 
justamente no fato de os materiais possuírem coeficiente de dilatação diferentes, pois 
em temperatura ambiente as duas tiras estão planas, mas quando esta são aquecidas 
tendem então a se deformarem, mas como o coeficiente de dilatação é diferente , uma 
das tiras vai se deformar primeiro e para que as tiras permaneçam unidas elas se 
curvam. 
5.4- 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 permanecer marcando as horas corretamente? 
 
Como podemos notar segundo a formula acima, o período depende diretamente de L 
(comprimento do fio) e de G (gravidade local), supondo então um pêndulo ideal, 
percebe-se que com o aumento da temperatura o fio irá se dilatar, o que implica 
diretamente no aumento de período e consequentemente no atraso da marcação das 
horas. 
5.5- 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) A esfera passaria com mais facilidade, uma vez que o anel estaria dilatado, deixando 
assim um espaço maior para a esfera passar. 
B) levando em consideração o volume de cada um e supondo que o anel de aço e a 
esfera de alumínio fossem aquecidos com a mesma temperatura, notaríamos que a 
esfera de alumínio passaria pelo anel de aço, uma vez que o coeficiente de dilatação do 
aço é menor que a do alumínio e consequentemente ele se dilataria mais que a esfera de 
alumínio. 
5.6- Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a 
temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero grau Celsius. 
Por causa da dilatação anômala da água, ou seja, o gelo tem maior volume e 
consequentemente é menos denso que a água no estado líquido, sendo assim o gelo 
flutua na água o que faz com que o gelo passe a se acumular na superfície do lago, 
enquanto a água permanece no fundo do lago, até que a sua temperatura diminua 
lentamente e se torne gelo. 
5.7- Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 30,8 cm a 
100ºC. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixa para 0ºC? 
( α = 23 x 10-6 ºC-1). 
Sabendo que: 
A0=πr2 = 7,45x10-2 m2 
A=A0(1+2αΔT) 
A=7,45x10-2 [1+2x23 x 10-6 (-100)] 
A=7,41x10-2, mas A=πr2=π(d2/4) 
d=√ (7,41x10-2 x4) /π 
d=30,7 cm 
 
 
 
 
6. CONCLUSÃO 
Podemos concluir que a partir da realização desta prática foi possível determinar o 
coeficiente linear dos sólidos a partir do experimento proposto nessa prática, utilizando 
os conceitos de dilatação térmica. 
Podemos concluir também que o comportamento da lâmina bimetálica foi bem 
verificado, uma vez que quando esta foi exposta a um aumento de temperatura, uma de 
suas tiras se dilatou primeiro que a outra, fazendo com que a lâmina bimetálica se 
dobrasse, vindo assim a se comportar como elemento de controle para desativar o 
circuito durante o experimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7-BIBLIOGRAFIA 
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/dilatacao-superficial-dos-solidos.htm 
https://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/lamina-bimetalica.htm 
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABgpgAJ/modelo-experimento-dilatacao-
termica 
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/dilatacao-linear.htm 
https://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Dilatacao/linear.php 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Dilata%C3%A7%C3%A3o_t%C3%A9rmica