Com a elevação da temperatura de um objeto, suas dimensões sofrem um aumento, o que é chamado de dilatação térmica. Esse assunto é cobrado nas questões de Física do Enem e vestibulares em diversos contextos.
Por isso, é importante compreender o fenômeno da dilatação térmica por completo, e não apenas decorar fórmulas. Leia este artigo para aprender mais sobre o tema. Vamos lá?
Navegue pelo conteúdo
O que é dilatação térmica?
A dilatação térmica é o aumento das dimensões de um corpo quando sua temperatura se eleva. Isso ocorre porque, ao receber calor, as partículas que compõem o material passam a vibrar com maior intensidade. Essa agitação térmica faz com que a distância média entre as moléculas aumente, resultando na expansão do corpo.
Tipos de dilatação térmica
A intensidade da dilatação de um objeto vai depender sempre da variação de temperatura sofrida, das dimensões iniciais do corpo e do tipo de material que a compõe, já que cada substância possui seu próprio coeficiente de dilatação.
Abordaremos, a seguir, os três principais tipos de dilatação térmica e quais fórmulas devem ser utilizadas em cada caso:
Dilatação linear
A dilatação linear ocorre quando se considera o aumento de comprimento de objetos alongados, como fios e barras. Esse é o caso mais simples e mais cobrado em provas. O aumento do comprimento é dado pela fórmula:
ΔL = L0 . α . ΔT
Onde:
- ΔL: variação do comprimento;
- L0: comprimento inicial;
- α: coeficiente de dilatação linear (depende do tipo de material); e
- ΔT: variação de temperatura.
O coeficiente de dilatação linear (α) mede o quanto o material se dilata em comprimento por unidade de temperatura. Sua unidade é normalmente °C⁻¹ ou K⁻¹.
Veja também:
+Escalas termométricas: Celsius, Kelvin, Fahrenheit e conversões
Dilatação superficial
É a dilatação de chapas ou placas. Nesse caso, é importante se atentar à área inicial do objeto, pois, em algumas questões, é necessário calcular o valor da área antes de aplicar a fórmula da dilatação.
Pense em uma placa metálica deixada ao sol. Sua área aumenta, e a fórmula usada é:
ΔA = A0 . β . ΔT
Onde:
- ΔA: variação da área;
- A0: área inicial;
- β: coeficiente de dilatação superficial; e
- ΔT: variação de temperatura.
Existe uma relação simples entre os coeficientes:
β ≅ 2α
Dilatação volumétrica
No caso de corpos tridimensionais, como esferas ou blocos, a dilatação se dá no volume total. A fórmula é:
ΔV = V0 . γ . ΔT
Onde:
- ΔV: variação do volume;
- V0: volume inicial;
- γ: coeficiente de dilatação volumétrica; e
- ΔT: variação de temperatura.
A relação entre os coeficientes é:
γ ≅ 3α
Dilatação de líquidos
Quando colocamos um líquido em um recipiente, como o recipiente também se expande, visualmente, o líquido parece se dilatar menos do que realmente se dilata. Na dilatação de líquidos, devemos ter em mente três conceitos importantes:
Dilatação volumétrica real
A dilatação real de um líquido é aquela que ocorreria se o líquido estivesse livre, sem nenhum recipiente que o limitasse.
ΔVreal = V0 . γlíquido . ΔT
Dilatação do recipiente
Essa é a dilatação do recipiente que contém o líquido (geralmente o recipiente se dilata menos que o líquido).
ΔVrecipiente = V0 . γrecipiente . ΔT
Dilatação aparente
A dilatação aparente é aquela que o observador enxerga quando o líquido está dentro de um recipiente. Ela corresponde à diferença entre a dilatação real do líquido e a dilatação do recipiente:
ΔVaparente = ΔVreal – ΔVrecipiente
ΔVaparente = V0 . (γlíquido – γrecipiente) . ΔT
Dilatação anômala da água
Um caso especial, e muito importante, é a dilatação anômala da água. Diferente da maioria das substâncias, que se expandem ao serem aquecidas, a água se comporta de maneira peculiar entre 0°C e 4°C:
- Ao aquecer de 0°C até 4°C, ela diminui o volume e aumenta a densidade; e
- A partir de 4°C, passa a se comportar normalmente, expandindo ao aquecer.
Esse fenômeno tem grande importância ecológica. Em lagos e rios de regiões frias, a água da superfície congela primeiro, formando uma camada de gelo que isola o restante. Isso permite que a água no fundo permaneça líquida e em torno de 4°C, garantindo a sobrevivência da vida aquática.
Aplicações da dilatação térmica
A dilatação térmica é muito explorada em situações cotidianas, embora não percebamos. Alguns exemplos importantes estão mencionados a seguir:
- Tiras bimetálicas: feitas com dois metais diferentes, elas se curvam quando aquecidas devido à diferença nos coeficientes de dilatação. São usadas em termostatos e disjuntores;
- Tampas metálicas de potes de vidro: ficam mais fáceis de abrir quando colocamos água quente, pois o metal se dilata mais que o vidro;
- Estruturas de engenharia: prédios, viadutos e máquinas precisam prever a dilatação dos materiais para evitar acidentes.
Questões de vestibulares sobre dilatação térmica
Uece (2017)
Considere a dilatação térmica de duas barras longas e finas, feitas de mesmo material. Uma delas tem o dobro do comprimento da outra: L₁ = 2L₂ . Nos dois casos, as barras sofrem uma mesma mudança de temperatura, ∆T, e dilatam ∆L₁ e ∆L₂.
Assim,
A) ∆L₂/L₂ = 2 ∆L₁/L₁.
B) ∆L₂/L₂ = ∆L₁/L₁.
C) 2 ∆L₂/L₂ = ∆L₁/L₁.
D) ∆L₂/L₂ = 3 ∆L₁/L₁.
Resolução
GABARITO: B
Aplicando a equação de dilatação linear, em cada barra, temos:
Uerj (2022)
Em um instituto de análises físicas, uma placa de determinado material passa por um teste que verifica o percentual de variação de sua área ao ser submetida a aumento de temperatura. Antes do teste, a placa, que tem área igual a 3,0 × 10³ cm², encontra-se a 20 ºC; ao ser colocada no forno, sua temperatura atinge 60 ºC. Sabe-se que o coeficiente de dilatação linear do material que a constitui é igual a 1,5 × 10⁻⁵°C⁻¹.
Nesse teste, o percentual de variação da área da placa foi de:
A) 0,16%
B) 0,12%
C) 0,8%
D) 0,6%
Resolução
GABARITO: B
Devemos calcular a variação de tamanho sofrida pela placa. Devemos ter cuidado, pois o enunciado nos fornece o coeficiente de dilatação linear do material, quando precisamos do coeficiente de dilatação superfície, que é o dobro do coeficiente de dilatação linear:
∆A = A₀ ⋅ β ⋅ ∆θ
∆A = 3,0 ⋅ 10³ ⋅ 2 ⋅ 1,5 ⋅ 10⁻⁵ ⋅ 40
∆A = 3,6 cm²
Agora precisamos calcular a variação percentual da área. Isso pode ser feito pela razão entre a variação da área e o seu valor original:
Seja aluno do Estratégia Vestibulares!
Estude com os cursos da Coruja! Na plataforma do EV, você terá acesso aos melhores materiais, com um banco de questões exclusivo, conteúdos em vídeo e pdf, além de fórum de dúvidas para falar diretamente com os professores. Clique no banner abaixo e seja nosso aluno!
