Relatório da prática 09

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Centro de Tecnologia - CT 
 Engenharia de Telecomunicações
 Relatório de física experimental 
 Prática 09: Dilatação térmica
 Data: 17/09/2019
Aluno: Daniel Victor Carvalho de Oliveira	
Curso: Engenharia de Telecomunicações
Matrícula: 474146
Turma: 32
Professor: Fabrício Barroso
Disciplina: Física experimental para engenharia
 Fortaleza – Ceará
 2019
 Objetivos
Determinação do coeficiente de dilatação linear de sólidos;
Verificar o comportamento de uma lâmina bimetálica;
 Material utilizado
Dilatômetro;
Tubos ocos de: aço, latão e alumínio;
Relógio comparador;
Kitasato (pyrex);
Termômetro;
Lâmina bimetálica;
Fita métrica;
Luvas térmicas;
Fogareiro elétrico;
 Introdução teórica
O seguinte relatório trata sobre uma prática de laboratório, mais especificamente da prática de dilatação térmica. Antes de começarmos o procedimento, é importante nós entendermos o conceito de dilatação térmica. Todo corpo é formado por substâncias microscópicas, que podem ser átomos ou moléculas, e que essas substâncias estão sujeitas a uma “vibração”. Essa “vibração” diz respeito ao grau de agitação dos átomos ou moléculas do corpo, e ela pode variar de acordo com a temperatura ao qual o corpo está sendo submetido. Desse modo, quanto maior for a temperatura maior será a agitação dos átomos do corpo, ocasionando no mesmo uma expansão de suas medidas. Esse fenômeno é denominado dilatação térmica, e ela pode ser classificada basicamente em três tipos:
A dilatação linear: diz respeito a corpos de estado sólido nos quais há variação considerável de comprimento (unidimensional). Um exemplo é o trilho de trem , em que o mesmo pode se dilatar e entortar se não forem colocadas juntas de dilatação, como pode ser observado na figura seguinte:
 Figura 1 – Trilhos de ferro dilatados
 Fonte: Toda matéria (https://www.todamateria.com.br/dilatacao-linear/)
 Acesso em 27/09/19
A dilatação superficial: quando ocorre variação de duas dimensões (bidimensional), ou seja, ocorre variação de determinada área pelo aumento da temperatura. Um exemplo é uma chapa metálica sendo aquecida e nela variam-se comprimento e largura ao mesmo tempo.
 Figura 2 - Dilatação superficial de uma chapa metálica
 Fonte:Alunos online (https://alunosonline.uol.com.br/fisica/dilatacao-superficial.html)
 Acesso em 27/09/19
A dilatação volumétrica: diz respeito à variação de volume, portanto analisam-se três dimensões. Os exemplos mais comuns são a dilatação de um líquido, como a água quando congela em um lago, e de um gás quando submetido a um aquecimento.
 Figura 3 - Dilatação volumétrica 
 Fonte: Laifi (http://www.laifi.com/laifi.php?id_laifi=1886&idC=37629#)
 Acesso em 27/09/2019
No experimento de dilatação térmica realizado nesta prática, nos atentaremos ao estudo da dilatação linear, no qual utilizaremos barras de diferentes metais para observar e constatar o fenômeno da dilatação.
A dilatação linear é um dos tipos mais comuns e estudados de dilatação térmica. Embora ela seja considerada como uma dilatação que ocorre em apenas uma dimensão, isso é apenas teórico já que todos os corpos são tridimensionais, não importando suas dimensões. O que ocorre realmente é que a variação se expande nas três dimensões, sendo possível medir a variação de uma dimensão mais considerável.
A dilatação linear é dada pela seguinte equação:
 
 Isolando as variáveis, podemos encontrar o coeficiente de dilatação térmica:
 
Figura 4 – Esquema ilustrativo da dilatação térmica
Fonte: Portal do professor (http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=9902)
Acesso em 27/09/2019
onde L0 é o comprimento inicial, ΔL é a variação do comprimento e Δθ é a variação de temperatura.
 Procedimento experimental
Antes de iniciarmos a prática, nos foi dada uma breve explicação sobre o que iríamos realizar, bem como instruções de como realizar o experimento. O professor forneceu ao nosso grupo três barras ocas de diferentes metais (aço, latão e alumínio), um dilatômetro equipado com um relógio comparador, um kitassato de vidro, um fogareiro elétrico, luvas térmicas, um termômetro e uma fita métrica.
Antes de iniciarmos o experimento, o professor demonstrou o funcionamento de uma lâmina bimetálica com o auxílio de uma lâmpada incandescente, uma fonte de energia e uma lâmina bimetálica. O professor encaixou a lâmina em um suporte acima da lâmpada, e ligou a lâmina nos terminais da lâmpada e na fonte. Ele ligou a fonte, e a lâmpada ligou. Após um tempo, a lâmpada desligou pois a lâmina havia se dilatado e interrompido o circuito.
Em seguida, montamos o aparato encaixando o tubo metálico escolhido no dilatômetro. Depois, ligamos uma mangueira que já veio acoplada no kitassato no tubo metálico, e posicionamos a saída lateral do tubo para um recipiente a fim de escorrer a água que circulava no tubo. Medimos o comprimento inicial o tubo com o auxílio da fita métrica e anotamos. Além disso, medimos também a temperatura ambiente com o auxílio de um termômetro digital.
 Após esses passos, zeramos o relógio comparador, enchemos com água o kitassato e o colocamos em cima do fogareiro e ligamos. Após um tempo, percebemos que a água presente no kitassato começou a entrar em ebulição, e o vapor seguia pela mangueira e se condensava no tubo metálico. Ao entrar em contato na parte interna do tubo, a água provocara um aumento de temperatura no mesmo, fazendo com que ocorresse uma variação do comprimento devido à dilatação e alterasse o relógio comparador.
Ao terminar o experimento com a primeira barra, desligamos o fogareiro e com o auxílio de um par de luvas térmicas, removemos a barra metálica e introduzimos a outra barra e repetimos os passos anteriores. Após realizarmos os procedimentos para os três tubos, registramos os dados na tabela seguinte:
Tabela 1 – Resultados experimentais
	MATERIAL
	L0 (cm)
	Θ(°C)
	Θ’(°C)
	ΔL(mm)
	α
	Alumínio
	51,7
	24,5
	95
	0,93
	2,55x10⁻5
	Latão
	51,7
	24,5
	95
	0,70
	1,92x10⁻5
	Aço
	51,7
	24,5
	95
	0,46
	1,26x10⁻5
Ao registrarmos os dados obtidos no experimento, calculamos o coeficiente de dilatação linear de cada barra metálica utilizada:
 
Barra 1: Alumínio
L0 = 51,7cm = 517mm
Θ = 24,5 °C
Θ’= 95 °C
ΔL = 0,93 mm
 = = 2,55x10⁻5
Barra 2: Latão
L0 = 51,7cm = 517mm
Θ = 24,5 °C
Θ’= 95 °C
ΔL = 0,70 mm
 
 = = 1,92x10⁻5
Barra 3: Aço
L0 = 51,7cm = 517mm
Θ = 24,5 °C
Θ’= 95 °C
ΔL = 0,46 mm
 = = 1,26x10⁻5
 Questionário
Questão 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.
R: Valor do coeficiente linear do aço: 1,1x10^-5
 Valor experimental: 1,26x10^-5
 Erro percentual = 1,1x10^-5/1,26x10^-5 = 8,7%
 Valor do coeficiente linear do alumínio: 2,5x10^-5
 Valor experimental: 2,55x10^-5
 Erro percentual = 2,5x10^-5/2,55x10^-5 = 9.8%
 Valor do coeficiente linear do latão: 1,8x10^-5
 Valor experimental:
1,92x10^-5
 Erro percentual = 1,8x10^-5/1,92x10^-5 = 9,3%
 Questão 2: Na figura abaixo vemos uma junta de dilatação em uma ponte. Justifique a necessidade de juntas de dilatação em pontes e outras estruturas em função dos resultados da prática realizada.
R: As juntas de dilatação são necessárias para que aja um correto espaçamento entre os trilhos, pois em dias muito quentes a temperatura é muito alta e o ferro dos trilhos tende a dilatar. Com a junta, a dilatação não ocasionará danos como o entortamento dos trilhos e consequentemente um problema na linha férrea.
Questão 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.
R: Ela consiste em duas lâminas de metais diferentes, em que quando elas são submetidas a uma corrente elétrica, têm sua temperatura aumentada, ocorrendo a curvatura de uma delas e interrompendo o circuito elétrico.
Questão 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?
R: O período do pêndulo depende do tamanho do fio, assim, com o aumento da temperatura, o fio consequentemente irá se dilatar, o que vai aumentar o período do pêndulo, fazendo com que ocorra um atraso no relógio.
Questão 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?
R:
(a): Ocorrerá uma dilatação no anel e um consequente aumento no seu diâmetro, o que permitirá a passagem da esfera.
(b): Vai depender do coeficiente de dilatação dos dois, quando ambos crescem na mesma proporção, a esfera continuará a passar pelo anel, caso contrário, a esfera não conseguirá passar pelo anel.
Questão 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.
R: Devido ao comportamento anormal da água, sabe-se que o gelo, que é menos denso que a água líquida, vai flutuar e trocar calor com o ambiente, fazendo com que se acumule na superfície do lago.
Questão 7: Um orifício circular numa chapa de alumínio tem diâmetro de 43,6 cm a 25°C. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina aumentar para 100°C? (α= 23x10^-6)
R:
D = 43,6cm = 436mm
α=23x10^-6
ΔΘ = 100°C
ΔL = L0.α.ΔΘ ==> 23x10^-6x436x100 ==> ΔL= 10,02mm ou 100,2cm
 Conclusão
Através dessa prática de física experimental, aprendemos mais a respeito de uma aŕea bem importante da física, a dilatação térmica. Durante a prática, aprendemos sobre a importância dessa área no dia a dia e como ela afeta a natureza e o espaço em que vivemos.
Observamos vários erros durante essa prática, tais como a aferição do coeficiente de dilatação linear dos tubos, devido ao mal posicionamento dos mesmos no dilatômetro, bem como erros de leitura no relógio comparador. Apesar desses erros, a taxa de erro foi pequena, mostrando que o experimento em si foi bem sucedido, e prosseguimos com a prática.
Além disso, ao final da prática entendemos também como funciona uma lâmina bimetálica, bem como sua importância e aplicações no dia a dia como em termostatos de geladeiras e em ferros de passar roupa.
 Bibliografia
Dias, N.L. Roteiros de aulas práticas de física. UFC, Fortaleza – Ceará, 2019
Dilatação térmica – conceito (https://www.todamateria.com.br/dilatacao-termica/) - Acesso em 27/09/19
Dilatação linear (https://alunosonline.uol.com.br/fisica/dilatacao-termica.html) – Acesso em 27/09/19