Estudo da Temperatura, Dilatação e Coeficiente de Dilatação


Parte da Física que estuda o calor, a temperatura e suas aplicações no cotidiano. É dividida em três partes:
Termometria: Estuda a medição da temperatura.
• Calorimetria: Estuda o calor e suas potencialidades.
• Termodinâmica: Estuda as transformações gasosas e suas utilidades.

Normalmente, confundimos temperatura com calor; Calor é a energia transferida de um corpo de maior temperatura (quente) para um de menor temperatura (frio), um corpo não tem calor e sim energia interna, calor é o processo de transferência. A termologia (termo = calor, logia = estudo) é o ramo da física que estuda o calor e seus efeitos sobre a matéria. Ela é o resultado de um acúmulo de descobertas que o homem vem fazendo desde a Antiguidade, sendo que no século XIX atinge o seu clímax graças a cientistas como Joule, Carnot, Kelvin e muitos outros. Na termometria refere-se ao estudo da medida da temperatura (metria = medir, termo = temperatura).

Estudo da Temperatura

Equação dos Pontos Conjugados
1 = 1   J. f ~ p    p1

Os termômetros de mercúrio, muito comuns em laboratórios, clínicas médicas e mesmo em casa, funcionam baseados na dilatação do mercúrio. Digamos, por exemplo, que precisamos medir a temperatura da água de um copo. Colocamos o termômetro dentro dele e aguardamos alguns minutos para que a água e o termômetro entrem em equilíbrio térmico. A variação de temperatura, para mais ou para menos, sofrida pelo mercúrio vai fazer com que seu volume varie, para mais ou para menos. Com isso, ele sobe ou desce na escala de temperaturas, indicando o valor correto da temperatura.

PONTO DE GELO, que representa o ponto de fusão (PF) da substancia, à pressão constante de latm; podendo ser representado pelo zero grau Celsius.
PONTO DE VAPOR, que representa o ponto de ebulição (PE) da substancia, à pressão constante de latm; podendo ser representado pelo cem graus Celsius.
Obs.: Estes pontos são utilizados por serem de fácil

Mercúrio: Substância Termométrica opaca e brilhante que possui dilatação regular num intervalo de temperatura amplo. Para medir a temperatura de um corpo (indiretamente), utilizamos as escalas termométricas e suas graduações, esperando que ocorra equilíbrio entre os corpos. Há dois pontos em que um termômetro, que são considerados fixos e bem estabelecidos. Sabe-se que não há, teoricamente, um limite superior para a temperatura que um corpo pode alcançar. Observa-se, entretanto, que existe um limite inferior. Os cientistas verificaram que é impossível reduzir a temperatura de qualquer substância a um valor inferior a – 273° C (o zero absoluto}.

A equação geral é representada como uma função dos pontos fixos X0 e Y0 (ponte de gelo) e Xf e Yf (ponto de vapor) de dois termómetros desconhecidos X e Y; esta equação pode ser utilizada em termómetros que se queira estabelecer uma escala termométrica.

Dilatação

As barras aumentam de comprimento quando aquecidas. Sabe-se também que o acréscimo de comprimento é proporcional ao comprimento inicial (1Q) e a variação de temperatura (AT), de acordo com a equação: Convém notar que a lâmina que possui maior coeficiente de dilatação linear, dilata mais ficando do lado externo.

Relembrando a fórmula e = (0 (l + « . At)
M. = f.n. a . AT
a = e o at

Por exemplo, Se uma barra de 100 metros sofrer um acréscimo de 10 centímetros no seu comprimento, em decorrência de uma variação de 80°C, concluímos que uma barra de 200 m (o dobro da primeira) sujeita à mesma variação de temperatura (80°C) sofrerá um acréscimo de 20 centímetros (o dobro do acréscimo da 1a barra).Se quisermos calcular a variação de comprimento de uma barra, sujeita a qualquer variação de temperatura usamos a fórmula: V’1 C.

O coeficiente de dilatação a tem, como unidade o inverso da temperatura e depende fundamentalmente da natureza do material. Varia pouquíssimo com a temperatura, a ponto de considerarmos coindependente da mesma. Citamos a seguir alguns valores típicos para o coeficiente de dilatação linear de alguns materiais no estado sólido:

f = £„ (l + a . AT). Onde: t = comprimento final (Q = comprimento inicial a = coeficiente de dilatação linear AT = variação de temperatura A£ = variação do comprimento.

Lâmina bimetálica – duas lâminas de materiais diferentes são colocadas juntas. Ao serem aquecidas, ocorre a curvatura do sistema. Note-se que o coeficiente de dilatação linear é sempre pequeno (da ordem de unidades ou dezenas de milionésimos, isto é, 10~6), e que os materiais de menor alfa, isto é, os materiais cujo comprimento menos varia com a temperatura são o quartzo fundido e o invar, que é uma liga metálica (35 a 37% de níquel, restante ferro) usada especialmente em instrumentos de precisão.

A = An . (l + p . AT)
AÃ = A. . P . AT
Sendo que:
A = área ou superfície final
A0 = área ou superfície inicial
P = coeficiente de dilatação superficial
AT = variação de temperatura
M = variação da superfície ou área

Com o mesmo raciocínio da dilatação superficial, poderíamos pensar em resolver a dilatação de um cubo, estudando cada um de seus três comprimentos juntos. As placas perfuradas se dilatam, como se fossem inteiriças. Tudo se passa, como se cada furo tivesse ‘um coeficiente de dilatação igual ao da substância que constitui a placa. Os corpos ocos se dilatam, como se fossem maciços. Tudo se passa, como se a parte oca tivesse um coeficiente de dilatação igual ao da substância que constitui o invólucro. A capacidade de um recipiente também varia quando varia a temperatura.

Pêndulos: o período de um pêndulo (não-compensado) sofre influência da temperatura devido à dilatação do comprimento do pêndulo. Quando a é ©, um aumento de temperatura implica um aumento do período (o relógio de pêndulo atrasa). As trenas (réguas graduadas): quando se dilatam fornecem leituras que são menores do que as reais.

V = f    f    l co • co • co
As fórmulas para calcular a dilatação volumétrica são:
V = V0(1 + Y.AT)                     AV = V0   y   AT
onde y é o coeficiente de dilatação volumétrica (ou cúbica).
Relação entre os coeficientes
— = ê = 1
l     2     3
UNIDADE DE a, p e y = °c~   = ^ (inverso da temperatura)