Dilatação térmica

Dilatação

A dilatação térmica é um fenômeno causado pelo aumento das distâncias entre as partículas de um corpo. Esse aumento é provocado pelo enfraquecimento das forças eletrostáticas entre as partículas a medida que a temperatura aumenta.

Essa origem evidencia uma das características que influenciam a dilatação nos corpos: seu material, responsável por um coeficiente de dilatação único, que será visto mais a frente. Outros fatores determinantes são as dimensões iniciais do material e a variação de temperatura.

Em sólidos, comumente estudamos a dilatação linear (uma dimensão), superficial (duas dimensões) e volumétrica (três dimensões). Esta última é a dilatação mais comumente estudada em líquidos e gases. No caso dos líquidos, uma distinção entre dilatação real e aparente é feita, que será detalhada mais adiante. Por fim, a dilatação volumétrica dos gases é um tópico importantíssimo no desenvolvimento da termodinâmica.

Sólidos

Em sólidos, podemos calcular as dilatações lineares $(\Delta L)$, superficiais $(\Delta S)$ e volumétricas $(\Delta V)$ da seguinte maneira:

\begin{align*} \Delta L &= L_o \cdot \alpha \cdot \Delta \theta \\\\ \Delta S &= S_0 \cdot \beta \cdot \Delta \theta \\\\ \Delta V &= V_0 \cdot \gamma \cdot \Delta \theta \end{align*}

Como as unidades estão no sistema internacional, temos Celcius (ou Kelvin) na variação de temperatura $(\Delta \theta)$, metros no comprimento, metros quadrados na superfície e metros cúbicos no volume.

Alfa, beta e gama nas equações acima são, respectivamente, os coeficientes de dilatação linear, superficial e volumétrica do corpo estudado. Para o mesmo material, vale $\alpha = \dfrac{1}{2} \beta = \dfrac{1}{3} \gamma$, ou então, de forma mais analítica, $\beta = 2 \alpha$ e $\gamma = 3 \alpha$.

A dimensão (”unidades”) desses coeficientes é $°\text{C} ^{-1}$.

Líquidos

Um ponto especial de atenção ao mensurar a dilatação em líquidos, como mencionado acima, é a distinção entre a dilatação do recipiente, a dilatação aparente e a dilatação real do líquido.

Conforme expressado pela expressão abaixo, temos que a dilatação real do volume do líquido é formada pela soma da dilatação do volume do recipiente com a chamada “dilatação aparente”, o volume transbordado.

\Delta V_R = \Delta V_{REC} + \Delta V_{AP}

Esse transbordamento é possível pela constatação que líquidos expandem mais velozmente do que sólidos, em razão de suas partículas constituintes terem mais liberdade de movimento.

Se $\Delta V_{AP}=0$, temos um caso mais simples, em que podemos simplesmente utilizar um instrumento para medir o volume adicional do líquido.