RELATÓRIO -DILATAÇÃO TÉRMICA

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA
PRÁTICA 9 – DILATAÇÃO TÉRMICA
Aluna: 
Matrícula: 401345 / Turma 40A
Professora: Ravena
Data da prática: 05/10/2017 – 14:00 às 16:00 h
FORTALEZA
2017 
Índice
 Página
1- Objetivos........................................................................................................03
2- Material Utilizado...........................................................................................03
3- Introdução......................................................................................................04
4- Procedimento Experimental...........................................................................05
5- Questionário ................................................................................................ 06
6- Conclusão......................................................................................................08
7- Bibliografia.....................................................................................................08
· OBJETIVOS:
· Determinação do coeficiente de dilatação linear de sólidos.
· MATERIAIS:
· Dilatômetro;
· Tubos ocos de: aço, latão e alumínio;
· Relógio comparador;
· Kitasato (pyrex);
· Termômetro;
· Lâmina bimetálica;
· Fita métrica;
· Luvas térmicas;
· Fogareiro elétrico.
· INTRODUÇÃO: 
Dilatação térmica é o termo empregado ao fenômeno de expansão/aumento do tamanho de um corpo ao ser submetido a altas temperaturas. Com o ganho de calor excessivo, as moléculas de um corpo se agitam/vibram mais intensamente e acabam se afastando mais uma das outras, levando o mesmo (corpo) a se dilatar.
Essa dilatação pode ser classificada em: linear, superficial e volumétrica de acordo com qual dimensão (comprimento, largura e profundidade) foi alterada mais significativamente do corpo. 
· A Dilatação Linear representa o aumento de volume em apenas uma dimensão, no comprimento. Para calcular a dilatação linear utiliza-se a fórmula: 
ΔL = L0.α.Δθ Onde: ΔL = Variação do comprimento
 L0 = Comprimento inicial
 α = Coeficiente de dilatação linear
 Δθ = Variação de temperatura
· A Dilatação Superficial representa o aumento de volume em duas dimensões, comprimento e largura. É o que acontece, por exemplo, com uma chapa de metal delgada. Para calcular a dilatação superficial utilizamos a fórmula: 
ΔA = A0.β.Δθ Onde, ΔA = Variação da área
 A0 = Área inicial
 β = Coeficiente de dilatação superficial
 Δθ = Variação de temperatura
Importa destacar que beta é duas vezes maior que alfa (coeficiente de dilatação linear). 
· A Dilatação volumétrica representa o aumento do volume em comprimento, largura e profundidade, o que acontece, por exemplo, com uma barra de ouro. Para calcular a dilatação volumétrica utilizamos a fórmula:
ΔV = V0.γ.Δθ Onde, ΔV = Variação do volume
 V0 = Volume inicial
 γ = Coeficiente de dilatação volumétrica
 Δθ = Variação de temperatura
O coeficiente gama é três vezes maior que o alfa (coeficiente de dilatação linear). A dilatação volumétrica trata de três dimensões, enquanto a linear, de apenas uma.
A dilatação é proporcional ao aumento de temperatura, mas não é a mesma para diferentes materiais, ou seja, mesmo para uma mesma variação de temperatura, a dilatação dos corpos não será a mesma para diferentes materiais, pois cada um tem um coeficiente de dilatação característico.
PROCEDIMENTO: 
O processo da “Prática 9 – Dilatação térmica” se deu inicialmente com uma pequena explicação e aprofundamento sobre fundamentos correlacionados com o tema, como: coeficiente de dilatação linear, uso adequado do dilatômetro, etc. Em seguida a turma foi dividida em equipes, de três pessoas por bancada, onde cada equipe possuía seu material de apoio. (Listados na parte “Materiais” desde relatório.)
Previamente, para a execução do experimento, foi montada uma pequena estrutura seguindo as seguintes precauções: 
- O tubo escolhido foi suspenso nas hastes de sustentação do dilatômetro.
- Uma extremidade do tudo foi fixada na haste próxima à entrada de vapor de água e a outra ficou livre para mover o pino do relógio comparador.
- Verificou-se que o relógio comparador (previamente zerado) estava devidamente fixado na terceira haste, de modo que o mesmo tocasse a extremidade fechada do tubo oco. 
- A saída lateral do tubo foi inclinada para baixo, de modo a facilitar a saída de água advinda da condensação dentro do tubo e um recipiente foi colocado abaixo dela.
Em seguida mediu-se para cada tubo, o comprimento L0 à temperatura inicial da porção do tubo considerada na dilatação. Depois a temperatura inicial t (temperatura ambiente), temperatura do kitasato (temperatura final -> do vapor d’água, que se manteve igual nos testes de cada tubo), a medida de dilatação ΔL (medida do relógio comparador). Todos esses dados foram anotados na tabela abaixo. 
 
	MATERIAL
	L0 (mm)
	T (ºC)
	T' (ºC)
	ΔL(mm)
	α (mm)
	AÇO
	522
	25,4
	99,5
	0,43
	1,114x10-5
	ALUMINIO
	520
	25,3
	99,5
	0,84
	2,17x10-5
	LATÃO
	520
	25,3
	99,5
	0,699
	1,79x10-5
· QUESTIONÁRIO: 
01º) 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.
Aço: Na literatura: αaço = 1,2 . 10-5 ºC-1; experimentalmente: αaço = 1,28 . 10-5 ºC-1. Erro percentual de 6,67 %.
Alumínio: Na literatura: αalumínio = 2,4 . 10-5 ºC-1; experimentalmente: αalumínio = 2,32 . 10-5 ºC-1. Erro percentual de 3,33%.
Latão: Na literatura: αalumínio = 2,0 . 10-5 ºC-1; experimentalmente: αalumínio = 1,94 . 10-5 ºC-1. Erro percentual de 3,00%.
Os valores obtidos experimentalmente são considerados aceitáveis, pois o erro percentual não foi maior do que 10%.
02º) Na figura abaixo (Relatório de Práticas) 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.
As juntas de dilatação são essenciais em estradas de ferro para evitar possíveis acidentes causados pelo “entortamento” de suas estruturas. As juntas fazem com que haja um pequeno espaço entre os trilhos, o que permite que ele dilatem quando submetidos a altas temperaturas sem comprometer a passagem dos trens nas estradas, ou seja, sem correr o risco deles dilatarem e entortarem os trilhos.
03º) Uma lâmina bimetálica consiste de duas tiras metálicas rebitadas e é utilizada como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela funciona.
Uma lâmina bimetálica, como dito na questão, consiste em duas tiras metálicas ligadas fortemente. Portanto é formada por dois coeficientes de dilatação diferentes também. Inicialmente, na temperatura em que foi feita a colagem, a lâmina se mantém retilínea, mas, quando a temperatura varia, a lâmina encurva, pois um metal se dilata mais que o outro e, para que eles se mantenham unidos, ambos se encurvam. Esse fenômeno das laminas bimetálicas são utilizados como termostatos comuns, pois em um termostato, a lâmina bimetálica serve para abrir e fechar o circuito elétrico, mantendo a temperatura constante. Quando a temperatura aumenta a lamina curva-se fazendo com que haja uma interrupção da passagem de eletricidade. Aposcerto tempo, a lamina volta ao estado inicial reabilitando a passagem de corrente elétrica, pois a temperatura diminui. Isso evita o superaquecimento de condutores, e conseqüentemente a ocorrência de acidentes.
04º) Explique o que ocorre ao período de um relógio de pendulo com o aumento da temperatura. Com o aumento da temperatura, o relógio de pendulo passa a adiantar atrasar ou permanece marcando as horas corretamente? 
Com o aumento da temperatura o relógio de pendulo irá se atrasar, pois o perıodo do pendulo, depende diretamente do comprimento (L) do fio: T = 2π √(L/g). Com o aumento da temperatura o fio irá se dilatar e aumentar seu comprimento (L), portanto seu período também se atrasará, pois com o período maior, o pêndulo demorará mais para realizar uma oscilação completa e, conseqüentemente, irá se atrasar cada vez mais.
05º) 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? 
O anel se dilataria, havendo portanto um aumento no tamanho do seu diâmetro, permitindo que a esfera passasse com maior facilidade ainda.
b) O que aconteceria se aquecêssemos igual o anel e a esfera?
Isso dependeria do material da esfera (pois o do anel já é conhecido: aço) e seus coeficientes de dilatação. Se forem parecidos/proporcionais, a esfera continuará passando pelo anel, já que ambos aumentariam proporcionalmente. Se forem diferentes, possivelmente a esfera não passará pelo anel devido as suas deformações (dilatações) diferentes.
06º) Porque a água não deve ser usada como substancia termométrica?
A água não funciona como substância termométrica porque se trará de uma substancia com comportamento/dilatação anômala, diminuindo de volume com aumento da temperatura (fusão) e não “se expandindo” como a maioria dos outros elementos. E também porque a água possui um elevado calor específico, o que necessita de muita energia e tempo para variar de temperatura consideravelmente. 
07º) Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero graus Celsius.
Isso ocorre devido ao comportamento de dilatação anômalo da água, pois ao se aproximar ou passar de 0º C ela se expande ao invés de contrair. Com a diminuição da temperatura, a água vai sofrendo liquidificação e vai se acumulando na camada superficial do lago em forma de gelo. O gelo, sendo menos denso que a água, sobe para a superfície e impede que o calor escape e que a água de dentro do lago congele. 
08º) Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 40,6 cm a 100ºC. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixar para 0ºC? (α =).
Δt = 100º C – 0º C = 100º C
A0 = π(r0)2 = (3,1415) . (20,3 cm)² = XX cm².
ΔA = β . A0 . Δt ; β = 2α
ΔA = 2 x 23 x 10-6 ºC-1 x XX x 100º C = 
ΔA = 
Raio = = XX cm -> Portanto: D = 2r -> (calcula e dá o diâmetro)
· CONCLUSÃO:
Conclui-se que a “Prática 9 – Dilatação Térmica” contribuiu de forma positiva aos discentes de graduação; que passaram a visualizar e entender melhor fundamentos relacionados a esse fenômeno, determinar o coeficiente de dilatação linear de sólidos a partir de valores obtidos experimentalmente de variação de temperatura do corpo e variação de comprimento do mesmo. Os valores obtidos experimentalmente para o aço, alumínio e latão foram, respectivamente (COLOCAR OS VALORES AQUI). Observou-se que os valores encontrados experimentalmente e os valores da literatura para os sólidos estudados não apresentaram grande disparidade. O percentual foi entre Valor 1 e valor 2, que é considerado aceitável já que não excedeu os 10%. Mesmo assim, o pequeno erro percentual encontrado pode ter sido gerado por erros na utilização dos aparelhos, uma leitura errada do valor do dilatômetro,o cano utilizado na hora do experimento já poderia estar dilatado, etc. 
Contudo, a dilatação térmica, além de depender da variação de temperatura sofrida, depende também do material utilizado, porque cada substância tem seu coeficiente de dilatação. Percebeu-se ainda a existência de algumas substâncias com dilatação anômala como a água, o ferro, o bismuto e o antimônio, os quais diminuem de volume na fusão. 
· BIBLIOGRAFIA:
· DIAS, N. L. Roteiro de aulas Práticas de Física. Fortaleza: UFC, 2017;
· http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgEgoAJ/8-relatorio-dilatacao-termica-9-2 (Acessado em 19/10/2017, as 21:36 pm)
	
· HALLIDAY, David; RESNICK, Robert e W ALKER, Jearl. Fundamentos da Física. Rio de Janeiro. Editora LTC. 2012. Vol. 2 - Gravitação, Ondas, Termodinâmica. 9ª edição.