TEMPERATURA E DILATAÇÃO

F Í S I C A

R E L AT Ó R I O

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Sumário

• Introdução-------------------------------------------------------------- 3

• Temperatura – escalas termométricas------------------------- 4

• Dilatação dos sólidos ------------------------------------------------7

• Dilatação linear -------------------------------------------------------8

• Dilatação superficial e volumétrica------------------------------9

• Dilatação dos líquidos ---------------------------------------------10

• Dilatação aparente -------------------------------------------------10

• Dilatação irregular da água --------------------------------------11

• Termômetros e Escalas – Breve histórico --------------------12

• Exercícios--------------------------------------------------------------13

• Conclusão -------------------------------------------------------------15

• Bibliografia------------------------------------------------------------15

Introdução

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Nós alunas TAMIRES NASCIMENTO e NATASHA FALCAO do Colégio Estadual da Bahia – Central, 2º ano do ensino médio matutino, sala 2, apresentaremos o trabalho elaborado pelo professor de física Walter.

Viemos com o intuito de esclarecer aos discentes do respeitado Colégio Central, os conceitos da física.

Propondo diversificar os princípios da física, mostrando-os detalhadamente os assuntos vistos, com objetivo de absolvição dos conhecimentos de forma mais dinâmica.

Temperatura

Equilíbrio Térmico

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A temperatura é um dos conceitos físicos mais presentes em nosso cotidiano. Para sabermos se um dia está muito frio ou muito quente, costumamos afirmar que está ou não muito calor/frio. O Fato é que segundo a física, calor não é a melhor forma de representar essa grandeza e sim Temperatura.

Assim como em todas as áreas do conhecimento, a Física também utiliza alguns critérios e classificações. Para podermos dizer se o dia apresenta ou não uma temperatura elevada, devemos medir o grau de agitação das moléculas que estão presentes no ar de uma determinada região. Logo, temperatura nada mais é que a medida do grau de agitação das moléculas de um corpo ou meio.

TEMPERATURA – ESCALAS TERMOMÉTRICAS

Se colocarmos um objeto quente próximo a um frio, logo os dois estarão na mesma temperatura, ou seja, o calor é transferido do objeto com temperatura maior para o objeto com temperatura menor.

Um exemplo desse fenômeno de transferência térmica é quando misturamos café quente com leite frio. Você pode perceber que ao realizar essa mistura, a temperatura dos dois líquidos tende a se igualar até que fique igual, daí o porquê da mistura ficar morna. A explicação científica é o Equilíbrio Térmico.

Ao misturarmos o leite com o café, a reação de transferência tem início, no início ainda podemos sentir o calor do café em meio ao líquido, mas bastam apenas alguns segundos para a temperatura se modificar. O fluxo de calor se move rapidamente até chegar ao equilíbrio térmico.

Termômetros

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É um aparelho utilizado para medir a temperatura ou as variações de temperatura.

Existem vários tipos de termômetros, cada um deles utilizando a variação de uma certa grandeza, provocada por uma variação da temperatura. Há termômetros construídos com base nas variações que a temperatura provoca no comprimento da uma haste metálica, no volume de um gás, na resistência elétrica de um material, na cor de um solido muito aquecido, entre outros.

A temperatura é obtida pela leitura da pressão de um gás mantido volume constante.

Termômetro clinico – Indica a temperatura de uma pessoa

Termômetro Máximo e mínima

Escala Celsius

Escala Kelvin

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Para que possamos medir temperaturas, será necessário graduar o termômetro, isto é, marcar nele as divisões e atribuir números a essas divisões. Quando procedemos dessa maneira, estamos construindo um escala termométrica.

As escalas termométricas são definidas como mecanismos utilizados para medir a temperatura dos corpos.

O estado térmico de um corpo se eleva conforme se aumenta a velocidade de movimento das partículas presentes no mesmo. A medida desta alteração é o que conhecemos por temperatura. As escalas termométricas surgiram da necessidade de registrar e quantificar o quanto um corpo está quente ou frio.

William Tomson (conhecido como Lord Kelvin) estudando o comportamento dos gases descobriu a menor temperatura que um corpo poderia atingir que seria equivalente a -273°C. A partir daí determinou o ponto zero de sua escala. Criou assim o que chamamos de escala absoluta, pois utiliza um fenômeno universal como referência. Nela a água congela em 273 Kelvin (K) e ferve a 373 K – repare que não utilizamos graus, pois esta é a escala absoluta e não uma comparação entre fenômenos como as outras escalas.

DILATAÇAO DOS SÓLIDOS

Dilatação

Escala Fahrenheit

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Daniel Gabriel Fahrenheit escolheu como ponto zero, a temperatura de congelamento de uma mistura de água e sal e o ponto máximo (96) a temperatura de um homem sadio. Desta forma o congelamento da água pura ocorre em 32° Fahrenheit (F) e a ebulição em 212°F.

Um fato bastante conhecido é que as dimensões de um corpo aumentam quando aumentamos a sua temperatura. Salvo algumas exceções, todos os corpos, sólidos, líquidos, ou gasosos, dilatam-se quando sua temperatura aumenta.

Por que um sólido se dilata?

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Em geral os sólidos se dilatam por que o "aquecer" na realidade é provocar uma agitação nas moléculas que compõem um corpo. E quando isso ocorre elas se afastam, bem pouco, mas o suficiente para dilatar o corpo sólido como um todo.

DILATAÇAO LINEAR

Quando os corpos são submetidos a uma variação de temperatura eles dilatam, ou seja, sofrem aumento ou diminuição nas suas dimensões. Vale deixar bem claro que essa variação é bem pequena, e que muitas vezes ela não é perceptível a olho nu, necessitando, assim, de equipamentos, como o microscópio, para poder visualizar.

Os corpos dilatam quando sofrem aumento na sua temperatura. Sabe-se que quando ocorre a variação da temperatura do corpo, os átomos que o constituem se agitam mais, com isso a distância média entre eles aumenta. Assim sendo, o corpo ganha novas dimensões, ou seja, ele se dilata. De uma forma

geral, todos os corpos se dilatam após serem aquecidos e se contraem após terem sua temperatura reduzida.

A dilatação linear é aquela em que ocorre variação em apenas uma dimensão, ou seja, o comprimento do material. Imagine a seguinte situação: uma barra de metal de comprimento Li à temperatura ti, é aquecida até uma determinada temperatura tf. O que se percebe é que a barra, após o aquecimento, não tem mais o mesmo comprimento, ou seja, ela sofreu uma variação na sua dimensão, no seu comprimento, ela se dilatou. Veja:

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Onde L = LΔ f  – L i é a variação do comprimento, ou seja, a dilatação linear da barra. E t = Δtf  – t i é a variação da temperatura da barra. Experimentalmente verifica-se que:

- o comprimento inicial (Li) é proporcional à temperatura inicial (ti);- o comprimento final (Lf) é proporcional à temperatura final (tf);- a dilatação linear depende do material que constitui a barra.

Mediante essas constatações foi determinada a seguinte equação para dilatação linear dos corpos:  L = LΔ i tαΔ , onde é denominada deα  coeficiente de dilatação linear, é uma constante característica do material que constitui o corpo.

DILATAÇAO SUPERFICIAL E VOLUMÉTRICA

No estudo da dilatação superficial, isto é, o aumento da área de um objeto provocado por uma variação de temperatura, são observadas as mesmas leis da dilatação linear.

Assim sendo, a lei da dilatação térmica da superficial pode ser traduzida pela fórmula:

O alfa é substituído pelo beta que é o coeficiente de dilatação superficial do material que e feito a placa, ele vale 2 vezes o alfa.

Essa dilatação ocorre nas três dimensões: comprimento, largura e espessura.

Assim como acontece na linear e na superficial a dilatação volumétrica pode ser traduzida pela fórmula:

No lugar do alfa ou do beta vai o gama que é o coeficiente de dilatação volumétrica e equivale 3 vezes o alfa.

Dilatação Aparente

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DILATAÇAO DOS LÍQUIDOS

Os líquidos, não se dilatam obedecendo as mesmas leis que estudamos para os sólidos. Não tem sentido falar em coeficiente de dilatação linear ou superficial, já que eles não possuem forma própria. Só existe o coeficiente de dilatação volumétrica.

Suponhamos que se queira medir o coeficiente de dilatação real ( real) de um βdeterminado líquido. Para isso enche-se completamente um recipiente com o líquido, à temperatura inicial 0.θ

O volume inicial da proveta e do líquido é V0. Ao se aquecer o conjunto até a temperatura final , a proveta adquire o volume V e o líquido transborda, porque o coeficiente de θdilatação do líquido é maior que o da proveta. O volume de líquido transbordado chama-se dilatação aparente do líquido ( VAp).Δ

Dilatação Irregular da Água

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A dilatação real (total) do líquido ( Vreal) é a soma do volume de líquido transbordado Δ(dilatação aparente Vap) com a dilatação do recipiente ( Vrec), ou seja: Δ Δ

Vreal = Vap + VrecΔ Δ Δ

Como vimos os corpos sólidos e líquidos, em geral, têm seu volume aumentado quando elevamos sua temperatura. Entretanto, algumas substâncias, em determinados intervalos de temperatura, apresentam um comportamento inverso, isto é, diminuem de volume quando sua temperatura aumenta. Essas substâncias, nesses intervalos, têm um coeficiente de dilatação negativo.

A água, por exemplo, é uma das substâncias que apresentam essa irregularidade na dilatação.

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Termômetros e Escalas – Breve histórico A medida e o controle da temperatura, hoje em dia, desempenham um papel muito importante. Nas indústrias, nos laboratórios científicos, na medicina entre outros, estamos constantemente fazendo o uso de termômetros para medir e controlar a temperatura.

Termoscópio de Galileu

Instrumento inventado por Galileu Galilei em 1592, era composto por uma esfera oca de vidro à qual estava conectado a um tubo também de vidro e permite avaliar qualitativamente o aumento ou a diminuição de temperatura, por meio do deslocamento de substância termométrica no interior do tubo capilar. Devido à pressão atmosférica atuante sobre a superfície da água, esta sobe pelo tubo formando uma coluna d’água. Aquecendo o bulbo com a mão, o ar expandirá, empurrando a água para baixo. O aparelho de Galileu não possuía graduação em forma de escala. A medida da temperatura era feita pelo acompanhamento das variações da altura da coluna d’água.

Os Primeiro termômetros de liquido

O primeiro termômetro foi criado por Galileu Galilei em 1592. Galileu, considerado o pai da experimentação, foi físico, matemático, astrônomo e filósofo italiano que teve papel muito importante na evolução das ciências. O aparelho construído por ele era feito de um fino tubo de vidro, que tinha uma de suas extremidades colocada em recipiente contendo água colorida e na outra um bulbo, também de vidro. Utilizado pelos médicos da época para medir a temperatura das pessoas, esse aparelho não pôde ser considerado um termômetro, pois não tinha escalas para averiguar a temperatura, de modo que ele permitia apenas a comparação entre as temperaturas de dois corpos ou objetos.

Escalas Termométricas – A proposta de Celsius

Celsius arbitrou a temperatura de 0 ºC ao ponto de fusão do gelo sob pressão normal, e 100 ºC para a temperatura de ebulição da água em condições normais de pressão. Entre os limites citados, a escala foi dividida em cem partes iguais, cada uma das partes denominamos grau Celsius.

Escala Fahrenheit

Nesta escala relativa, a temperatura de vaporização da água é de 212 ºC (pressão normal), e a temperatura de fusão do gelo (pressão normal) são definidas como 32 ºF. Entre esses dois pontos fixos, temos 180 partes iguais, cada uma delas correspondendo a 1 grau fahrenheit.

Um Tópico Especial para voçê aprender um pouco mais

Exercícios

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1- Para medir a temperatura de uma pessoa, devemos manter o termômetro em contato com ela durante um certo tempo. Por quê?

R: Para que o termômetro entre em equilíbrio térmico com a pessoa

2- Como se denomina o estado para qual tendem os dois corpos?

R: Estado de equilíbrio térmico

3- A temperatura de um corpo se elevou em 52°C. Qual foi a elevação da temperatura Kelvin desse corpo?

R: 52 Kelvin

4- A temperatura normal do corpo humano é cerca de 37°C. Expresse esta temperatura na escala Kelvin.

R: 310K

5- A temperatura de ebulição do nitrogênio liquido é 78K. Qual o valor desta temperatura em °C?

R: -195°C

6- A extensão de trilhos de ferro sofre dilatação linear, calcule o aumento de comprimento que 1000 m dessa ferrovia sofre ao passar de 0 °C para 20 °C, sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 12.10-6 °C-1.

R: ∆L = Lo α ∆T (o primeiro passo é substituir os valores dados na equação)

∆L = 1000. 12.10-6 .20

∆L = 20 000. 12.10-6 (nesse momento foi multiplicado os termos inteiros para depois trabalharmos com o expoente de base 10).

∆L = 24.10-2 (transformação de notação científica para forma decimal).

∆L = 0,24 m

Tk=Tc+273

37+273=310K

Tc=Tk-273

78-273= -195°C

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7- Sabendo que o coeficiente de dilatação linear do ferro é 1,2.10-5, determine o coeficiente de dilatação superficial.

R: Como β = 2.α= temos que β = 2.1,2.10-5 = 2,4.10-5

8- Um quadrado de lado 2m é feito de um material cujo coeficiente de dilatação superficial é igual a 1,6.10-4. Determine a variação de área deste quadrado quando aquecido em 80°C.

R: ΔA = Ao.β.Δ?

ΔA = 4. 1,6.10-4.80

ΔA = Ao.β.Δ?

ΔA = 0,0512m²

9- Uma chapa de alumínio tem um furo central de 100cm de raio, estando numa temperatura de 12°C.

Sabendo-se que o coeficiente de dilatação linear do alumínio equivale a 22.10-6°C-1, a nova área do furo, quando a chapa for aquecida até 122°C, será equivalente a qual valor em metros?

R: A = Ao.(1 + β.Δ?)

A = ?.r²..(1 + β.Δ?)

A = ?.1².(1 + 44.10-6.110)

A = ?.(1 + 0,00484)

A = ?.(1,00484)

A = 3,155 em valor aproximado.

10- Uma pessoa, cuja temperatura é 37°C está imersa na água de uma banheira, cuja temperatura é a mesma. Existe fluxo de energia térmica entre a pessoa e a água?

R: Não, pois ambas encontram-se na mesma temperatura.

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