Dilatação térmica

Dilatação térmica é um fenômeno físico que ocorre quando um material aumenta suas dimensões devido a uma elevação na temperatura. Esse processo está diretamente relacionado à agitação térmica das partículas que compõem o material: ao receberem mais energia, essas partículas vibram com maior intensidade, afastando-se umas das outras e provocando a expansão do objeto.

A dilatação térmica pode ser observada em diferentes contextos dimensionais, como no comprimento, na área ou no volume dos materiais, e está presente em diversas situações do cotidiano, desde trilhos de trem até termômetros.

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Resumo sobre dilatação térmica

• A dilatação térmica é o aumento nas dimensões de um material devido ao aumento da temperatura, causado pela maior vibração das partículas que compõem o material.
• Os tipos de dilatação podem ser: linear, superficial e volumétrica.
• O fenômeno ocorre pela maior vibração das partículas devido ao aumento de energia térmica, fazendo com que se afastem e aumentem o espaço ocupado pelo material. 
• As variações no comprimento, área e volume podem ser calculadas utilizando fórmulas que consideram o coeficiente de dilatação específico de cada material e a variação de temperatura.
• Exemplos de dilatação térmica incluem trilhos de trem, pontes, tampas de metal em potes de vidro e termômetros.

Videoaula sobre dilatação térmica

O que é dilatação térmica?

A dilatação térmica é o aumento nas dimensões de um material quando ele é submetido a um aumento de temperatura. Esse fenômeno ocorre porque o aumento da temperatura faz com que as partículas que compõem o material vibrem mais intensamente, afastando-se umas das outras e, consequentemente, aumentando as dimensões do objeto.

Tipos de dilatação térmica

• Dilatação linear: é um tipo de dilatação térmica que ocorre quando o comprimento de um objeto aumenta em função de um aumento na sua temperatura. Essa dilatação é especialmente relevante em objetos longos, como barras metálicas, fios e trilhos de trem. Para saber mais, clique aqui.

• Dilatação superficial: é um tipo de dilatação térmica que ocorre quando a área de um material se expande em razão de um aumento de temperatura. Esse fenômeno é comum em objetos planos, como placas metálicas ou superfícies de outros materiais. Saiba mais sobre dilatação superficial clicando aqui.

• Dilatação volumétrica: é um tipo de dilatação térmica que ocorre quando o volume de um material se expande em razão de uma variação de temperatura. Esse fenômeno é observado em materiais tridimensionais, como blocos sólidos, líquidos e gases. Para saber mais sobre dilatação volumétrica, clique aqui.

Veja também: O que é o equilíbrio térmico?

O que provoca a dilatação térmica?

A dilatação térmica ocorre devido ao aumento da agitação térmica das partículas que compõem um material quando sua temperatura aumenta. As partículas da matéria estão sempre em movimento, mesmo em temperaturas muito baixas, mas, ao serem aquecidas, ganham energia e vibram com maior intensidade.

Essa vibração faz com que as forças de atração entre as partículas sejam parcialmente superadas, aumentando as distâncias entre elas e fazendo com que ocupem mais espaço, o que provoca a expansão das dimensões do material. Observe a imagem abaixo:

Quando aquecidas, as partículas de um objeto se movem mais rápido e se distanciam, resultando em uma expansão. Quando resfriadas, as partículas se aproximam, resultando em uma contração.

Fórmulas da dilatação térmica

Fórmulas da dilatação linear

A variação no comprimento $\Delta L$ de um material submetido a uma mudança de temperatura pode ser calculada pela fórmula:

$\Delta L = L_0 \cdot \alpha \cdot \Delta T$

Onde L₀ é o comprimento inicial do material, α é o coeficiente de dilatação linear e $\Delta T$ é a variação de temperatura.

Fórmulas da dilatação superficial

A variação na área $\Delta A$ de um material submetido a um aumento de temperatura é dada pela fórmula:

$\Delta A = A_0 \cdot \beta \cdot \Delta T$

Onde A₀  é a área inicial do material e $\beta$ é o coeficiente de dilatação superficial.

Fórmulas da dilatação volumétrica

A variação no volume $\Delta V$ de um material submetido a um aumento de temperatura é dada pela fórmula:

$\Delta V = V_0 \cdot \gamma \cdot \Delta T$

Onde V₀ é o volume inicial do material e $\gamma$ é o coeficiente de dilatação volumétrica.

Como calcular a dilatação térmica?

Calcular a dilatação térmica de um material envolve analisar como suas dimensões iniciais mudam em resposta a uma variação de temperatura. O primeiro passo é identificar o tamanho inicial do objeto, como seu comprimento, área ou volume, e determinar a diferença entre a temperatura inicial e final. Essa diferença, chamada de variação de temperatura, indica o quanto o material foi aquecido ou resfriado.

Além disso, cada material tem um comportamento específico em relação à dilatação, determinado por uma propriedade conhecida como coeficiente de dilatação. Esse coeficiente define o quanto o material se expande ou contrai para cada grau de mudança de temperatura, e ele varia de acordo com o tipo de material: metais geralmente dilatam mais do que vidro ou cerâmica, por exemplo. Com essas informações, é possível estimar a nova dimensão do material após a variação térmica.

A dilatação é proporcional às dimensões iniciais, à variação de temperatura e ao coeficiente do material, ou seja, um objeto maior ou uma maior variação de temperatura resultará em uma dilatação mais perceptível. Após calcular o quanto o material se expandiu ou contraiu, basta somar (no caso de aquecimento) ou subtrair (em caso de resfriamento) essa variação às dimensões originais para determinar o novo tamanho.

Saiba mais: Calor e temperatura são a mesma coisa?

Exemplos de dilatação térmica no cotidiano

A dilatação térmica é um fenômeno que pode ser observado em diversas situações do cotidiano. Um exemplo comum são os trilhos de trem, que possuem pequenas lacunas entre as seções. Essas lacunas existem para acomodar a expansão dos trilhos durante os dias quentes, quando a temperatura aumenta. Caso não houvesse espaço suficiente para a dilatação, os trilhos poderiam se deformar, causando problemas na circulação dos trens.

Da mesma forma, nas construções de pontes e viadutos, utilizam-se juntas de dilatação, que permitem que as estruturas se expandam ou contraiam sem danos, garantindo a segurança e a durabilidade dessas obras.

Outro exemplo cotidiano é encontrado em tampas de metal em potes de vidro. Quando uma tampa está muito apertada, aquecê-la levemente (por exemplo, com água quente) pode facilitar sua remoção. Isso ocorre porque o metal da tampa se dilata mais rapidamente do que o vidro do pote, criando uma pequena folga que permite abrir o recipiente com mais facilidade.

A dilatação também é evidente em termômetros líquidos, como os de mercúrio ou álcool, onde o líquido se expande dentro do tubo capilar à medida que a temperatura aumenta, indicando a variação térmica. Esses exemplos ilustram como a dilatação térmica influencia desde estruturas de grande porte até os pequenos detalhes do nosso dia a dia.

Exercícios resolvidos sobre dilatação térmica

Questão 1 (FEI-SP) Um mecânico deseja colocar um eixo no furo de uma engrenagem e verifica que o eixo tem diâmetro um pouco maior que o orifício na engrenagem. O que você faria para colocar a engrenagem no eixo?

A) aqueceria o eixo.

B) resfriaria o eixo e aqueceria a engrenagem.

C) aqueceria a engrenagem e o eixo.

D) resfriaria a engrenagem e o eixo.

E) resfriaria a engrenagem e aqueceria o eixo.

Resolução: Alternativa B

Como o eixo é um pouco maior que o orifício, é necessário diminuir o tamanho do eixo e aumentar o tamanho do orifício. Assim, ao resfriar o eixo, ele diminuirá de tamanho. Já ao aquecer a engrenagem, ela aumentará de tamanho.

Questão 2 (Ufac) Uma barra de cobre ($α=17\cdot 10^6°C^{-1}$) tem o comprimento de 250 m a 30 °C. Calcule o comprimento dessa barra a 150 °C.

Resolução:

Usando a fórmula da dilatação linear:

$\Delta L =L_0 \cdot α \cdot ΔT$

$\Delta L = 250 \cdot 17 \cdot 10^6 \cdot (150 - 30)$

$\Delta L=0,51 m$

Então, o comprimento final da barra será o comprimento inicial somado à variação:

$L=L_0+ \Delta L$

$L=250+0,51$

$L=250,51 cm$

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, ondas e termodinâmica (vol. 2). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, oscilações e ondas, calor (vol. 2). 4 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2013.