DILATAÇÃO TERMICA - UFC

Prévia do material em texto

Universidade Federal Do Ceará 
Departamento de Física 
Laboratório de Mecânica 
 
 
Relatório de Física Experimental Básica
Prática 9: Dilatação Térmica
 
 
 
Nome: Lucas Pontes Leal Matrícula: 473386
Curso: Engenharia de Alimentos Turma: 03 
Professor: Marcos Antônio Araújo Silva 
Data: 29/10/2019 Horário: 16:00 - 19:00 
 
 
 
Fortaleza, Ceará 
2019.2
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
A dilatação térmica pode ser definida como a variação que ocorre nas dimensões de um corpo quando submetido a uma variação de temperatura. Ao aquecer um corpo, ocorrerá um aumento da distância entre suas moléculas em consequência da elevação do grau de agitação das mesmas. Essa distância maior entre elas manifesta-se por meio da escansão das dimensões do corpo, as quais podem ocorrer de três formas: linear, superficial e volumétrica. O contrário ocorre quando os corpos são resfriados. Ao acontecer isso, a distância entre as moléculas diminui-se e, em consequência, há diminuição das dimensões do corpo sofrido o resfriamento.
Há basicamente, três tipos de dilatação térmica:
- A dilatação linear: aplica-se apenas a corpos em estado sólido, nos quais há variação considerável e unidimensional de comprimento. Durante os experimentos descritos no decorrer deste relatório utilizamos os conceitos deste tipo de dilatação térmica.
- A dilatação superficial: nesse tipo de dilatação analisam-se duas dimensões, pois a variação ocorre na superfície, ou seja, na área de determinado material. A variação simultânea da largura e do comprimento de uma chapa de aço é um exemplo de dilatação superficial.
- A dilatação volumétrica: refere-se à variação do volume, portanto, analisam-se três dimensões. São exemplos a dilatação de um liquido ou de um gás.
A dilatação linear se dá somente em uma dimensão. Porém, todos os corpos são tridimensionais, por menores que sejam suas dimensões. Em consequência disso, a dilatação linear é apenas teórica. Na realidade a variação ocorre em três dimensões, mas só é possível medir a variação de uma dimensão. Todos os materiais dilatam-se de maneira diferentes, devido a sua composição química. Assim, cada material possui um coeficiente de dilatação linear.
Dilatação linear L é dada por:
L = L0t
Dessa forma é possível encontrar o coeficiente de dilatação
linear :
 = 
Na qual L0 é o comprimento, é a variação do comprimento, t corresponde à variação da temperatura, é o coeficiente de dilatação linear.
O fenômeno da dilatação térmica pode ser observado em diversas situações cotidianas, pois a maioria dos materiais que nos cercam sofrem dilatação térmica constantemente. Um exemplo são as calçadas e as lajes, que se dilatam quando a temperatura aumenta, e se contraem quando a temperatura diminui. Durante esse processo de dilatação e contração, pode ocorrer fissuras nas estruturas em questão.
Figura 1 - Dilatação térmica, os efeitos das variações climáticas.
Fonte: (https://fibersals.com.br/wp-content/uploads/2017/04/xjuntas-de-dilatacao-contracao.jpg.pagespeed.ic.iCM71WX3LE.jpg).
 Outro exemplo importante são as estradas de ferro. O ferro possui um coeficiente de dilatação bastante elevado. Dessa forma, com uma pequena variação de temperatura, o volume pode variar consideravelmente. Nesse caso, a oscilação de temperatura durante o dia poderia causar deformações, prejudicando a passagem dos trilhos do trem.
Por esse motivo, calçadas, lajes, estradas, ferrovias, dentre outros são construídas com juntas de dilatação, que geram folgas propositais, para possibilitar a expansão e contração dos materiais, sem que haja fissuras, rachaduras ou qualquer outra deformação. Na figura 2 acima podemos observar uma pequena folga entre os trilhos de uma ferrovia.
As lâminas bimetálicas é uma das aplicações da dilatação térmica, na qual consistem em duas placas feitas de materiais diferentes soldadas. Em razão da utilização de materiais distintos, há dois coeficientes de dilatação também distintos, um para cada lâmina, que ao serem aquecidas aumentam seu comprimento de modo desigual, fazendo com que a lâmina bimetálica entorte. Figura 2 - Trilhos com junta de dilatação.
Fonte: (https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-dilatacao-termica-linear.htm).
As lâminas bimetálicas são largamente utilizadas em termostatos, para controlar a temperatura de um ambiente, como geladeiras, aparelhos de ar condicionado, ferros elétricos automáticos, dentre outros. Quando a temperatura aumenta, a lâmina curva-se fazendo com que haja uma interrupção da passagem de eletricidade. Após um certo tempo, a lâmina volta ao seu estado inicial reabilitando a passagem da corrente elétrica, pois a temperatura diminui. Isso evita o superaquecimento de condutores e consequentemente a ocorrência de acidentes.
4. Procedimento
Para poder realizar o experimento, o professor explicou a definição de dilatação térmica e as dilatações linear, volumétrica e superficial. Entretanto, como na pratica utilizaríamos apenas à dilatação linear, ele explicou formula desse tipo de dilatação e como calcular o coeficiente de dilatação linear de sólidos contidos no experimento.
Em nossas bancadas já estava montado um dilatômetro, consiste de uma base, bem como duas hastes fixadas na mesma, e ainda uma terceira haste contendo um relógio comparador, para medir a variação de comprimento. Ainda sobre a bancada, estava um fogareiro elétrico contendo um kitasato (pyrex) com um termômetro fixado para o aquecimento do material e aferição da variação da temperatura e uma mangueira de borracha com pequena espessura para conectá-lo ao cano.
Além desses equipamentos recebemos três tubos ocos de aço, latão e alumínio para a determinação dos coeficientes lineares destes. Utilizamos uma fita métrica para medir o comprimento dos tubos, luvas térmicas.
Primeiramente, posicionamos o tubo nas hastes de sustentação do dilatômetro, atentando para conectar uma extremidade à mangueira de borracha para a conexão com o kitasato, e deixar a outra extremidade livre para mover o pino do relógio comparador. Após esse procedimento, zeramos o relógio comparador, girando o mostrador do ponteiro até a posição zero, medimos o comprimento L0 do tubo com a fita métrica e utilizamos o termômetro para aferir a temperatura inicial.
A seguir, ligamos o fogareiro elétrico e iniciamos o experimento. Quando o ponteiro do relógio se estabilizou em uma certa posição, e estava saindo vapor do cano, registramos a variação de temperatura e de comprimento, respectivamente, no kitasato e no relógio comparador e tomamos nota dessas medidas. Realizamos os mesmos procedimentos para os três tubos. Os resultados obtidos estão expostos na tabela a seguir:
Tabela 1 – Resultados experimentais.
	Material
	L0 (mm)
	t (°C)
	t’ (°C)
	 (mm)
	 ( °C-1)
	Alumínio
	493
	22,5
	97,0
	0,76
	2,07 10-5
	Latão
	490
	22,5
	97,5
	0,68
	1,85 10-5
	Aço
	494
	22,5
	98,0
	0,47
	1,26 10-5
Após ter determinado experimentalmente os dados de todos os tubos, determinamos os respectivos coeficientes lineares:
4.1. Aço
Segundo a tabela, para o tubo de aço temos:
L0 = 494 mm
t = 22,5 °C
t’ = 98,0 °C
L = 0,47 mm
 = = 0,44 / 494 (98,0 – 22,5) = 1,26 10-5 °C-1
4.2. Alumínio
Segundo a tabela, para o tubo de alumínio temos:
L0 = 493 mm
t = 22,5 °C
t’ = 97,0 °C
L = 0,76 mm
 = = 0,76 / 493 (97,0 – 22,5) = 2,07 10-5 °C-1
4.3. Latão
Segundo a tabela, para o tubo de latão temos:
L0 = 490 mm
t = 22,5 °C
t’ = 97,5 °C
L = 0,68 mm
 = = 0,68 / 490 (97,5 – 22,5) = 1,85 10-5 °C-1
5. Questionário
1- Compare o coeficientede dilatação linear encontrado experimentalmente para cada material fornecido com os valores respectivos da literatura. Indique o erro percentual em cada caso.
Resposta: 
	Material
	Valor Experimental (°C-1)
	Valor Padrão (°C-1)
	Erro percentual (%)
	Alumínio
	2,07 x 10-5
	2,40 x 10-5
	13,75
	Aço
	1,26 x 10-5
	1,20 x 10-5
	105,0
	Latão
	1,85 x 10-5
	2,00 x 10-5
	7,5
Tabela 2 – Comparação de erro percentual.
2- Na figura abaixo vemos uma junta de dilatação em cada estrada de ferro. Justifique a necessidade de juntas de dilatação em estradas de ferro em função dos resultados da prática realizada.
Resposta: As juntas de dilatação são utilizadas para permitir uma pequena folga entre dois trilhos, pois devido a oscilação da temperatura durante o dia os trilhos sofrem dilatação térmica e poderiam entorta-se em consequência de altas temperaturas, impossibilitando a passagem dos trens.
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.
Resposta: As lâminas bimetálicas são compostas por duas placas de materiais diferentes, portanto com coeficientes de dilatação térmica distintos. Assim, ao aquecermos essa lâmina ela se curva. A lâmina bimetálica é bastante utilizada para controlar a temperatura de certos ambientes como de geladeiras, freezers, ar condicionados, entre outros. Quando a temperatura aumenta a lâmina curva-se impedindo a passagem de eletricidade. Após certo tempo a lâmina volta ao estado inicial possibilitando a passagem da corrente elétrica, pois a temperatura diminuiu. Isso evita o superaquecimento de condutores e consequentemente a ocorrência de acidentes.
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?
Resposta: O período do pêndulo depende diretamente do comprimento (L) do fio: . Com o aumento da temperatura o fio irá se dilatar, aumentando consequentemente o período do pêndulo, o que faria com que o relógio atrasasse na marcação das horas.
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 acontecerá se aquecêssemos o anel e não a esfera?
Resposta: Aquecendo o anel, haveria uma dilatação e consequente aumento no diâmetro do anel, permitindo a passagem da esfera.
b) O que aconteceria se aquecêssemos igualmente o anel e a esfera?
Resposta: Isso irá depender do coeficiente de dilatação do anel e da esfera. Se forem proporcionais, a esfera continuará passando pelo anel, senão, a deformação dos dois objetos se dará de forma desproporcional não permitindo a passagem da esfera pelo anel.
6- Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero graus Celsius?
Resposta: Por causa da dilatação anômala da água, ou seja, o gelo tem maior volume e consequentemente é menos denso do que a água no estado líquido, sendo assim o gelo flutua na água o que faz com que o gelo passa a se acumular na superfície do lago, enquanto a água permanece no fundo do lado, até que a temperatura diminua lentamente e se torne gelo.
7- Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 30,8 cm a 100 °C. 
Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixar para 0 °C? ( = 23 x 10-6 °C-1)
Resposta: Para calcular o novo diâmetro precisamos primeiro calcular a variação do comprimento, temos que: L0 = 30,8 cm = 308 mm, = 23 x 10-6 °C-1, t = 100 °C, t’ = 0 °C, portanto, = 100 – 0 = 100 °C. O que resulta em:
L = L0t = 23 x 10-6 x 308 x 100 = 0,71 mm = 0,07 cm
Após isso somamos o resultado com o comprimento L0:
30,8 + 0,07 = 30,87 = 30,9 cm
6. Conclusão
Portanto, após o final dessa prática conseguimos conhecer melhor o conceito de dilatação térmica e lâminas bimetálicas, assim também como a dilatação linear, superficial e volumétrica, suas principais características, suas aplicações no cotidiano, como usar as equações que utilizamos para descobrir os coeficientes de dilatação linear. Alguns fatores que levaram aos erros foram:
· Posicionamento dos os tubos ocos de maneira errada no dilatômetro para determinação do coeficiente de dilatação de cada tubo;
Concluímos que a dilatação térmica e as lâminas bimetálicas tem um vasto campo de aplicação na engenharia e em diversas áreas de ensino, tornando esses conceitos importantes para um engenheiro, pois grande parte da responsabilidade de um engenheiro está em prever futuros problemas e solucioná-los o quanto antes zelando pela segurança do projeto a ser desenvolvido.
7. Bibliografia
Brasil Escola. Dilatação térmica e calorimetria, por M. A. da Silva. Disponível em:<https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-termica calorimetria.htm>. Acesso em: 02 nov. 2019.
Cola da Web. Dilatação térmica, por J. A. Colvara. Disponível em:< https://www.coladaweb.com/fisica/termologia/dilatacao-termica>. Acesso em: 02 nov. 2019.
Toda Matéria. Dilatação térmica, por R. Gouveia. Disponível em:< https://www.todamateria.com.br/dilatacao-termica/>. Acesso em: 03 nov. 2019.
Brasil Escola. Lâmina Bimetálica, por K. Cavalcante. Disponível em:< https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lamina-bimetalica.htm>. Acesso em: 03 nov. 2019.