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1ª série · Física
Calor e fenômenos térmicos · Temperatura, calor e transferência de energia térmica

Dilatação térmica e condução do calor

Nos trilhos de trem e nas pontes, sempre existem pequenas folgas entre as partes. Em um dia quente em Manaus, o metal "cresce" e, sem esse espaço, o trilho entortaria. Por que os materiais mudam de tamanho com a temperatura? E como o calor chega de um ponto a outro, do Sol até a Terra ou da brasa até o espeto? É isso que você vai entender aqui.

Dilatação linear

Quando um material é aquecido, suas partículas vibram com mais intensidade e se afastam um pouco umas das outras. O resultado, visto de fora, é que o objeto aumenta de tamanho: ele sofre dilatação térmica. Quando esfria, ele se contrai.

Em uma barra fina, o que mais muda é o comprimento. Experimentalmente, a variação de comprimento é proporcional ao comprimento inicial e à variação de temperatura:

Por que é proporcional a $L_0$? Uma barra de $2\ \text{m}$ é como duas barras de $1\ \text{m}$ em fila: cada pedaço se dilata, e as dilatações se somam. Por isso o aço vale $\alpha \approx 1{,}2\times10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$: cada metro aumenta apenas $0{,}012\ \text{mm}$ para cada $1\,^\circ\text{C}$. É pouco, mas em trilhos de quilômetros e com variações de dezenas de graus, vira vários centímetros.

Barra metálica a uma temperatura inicial e a mesma barra mais longa depois de aquecida, com a variação de comprimento indicada. Barra a T₀: comprimento L₀ Barra aquecida: L = L₀ + ΔL ΔL
Pratica★☆☆Por começar
Uma barra metálica de comprimento inicial $2{,}0\ \text{m}$ é aquecida em $100\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação linear do material é…

Uma barra metálica de comprimento inicial $2{,}0\ \text{m}$ é aquecida em $100\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação linear do material é $\alpha = 1{,}2 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$. Calcule a variação de comprimento da barra, usando $\Delta L = L_0\,\alpha\,\Delta T$.

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Pratica★☆☆Por começar
Nos trilhos de trem e nas pontes de concreto, são deixados pequenos espaços entre as partes, chamados juntas de dilatação. Explique em uma ou duas frases por que eles…

Nos trilhos de trem e nas pontes de concreto, são deixados pequenos espaços entre as partes, chamados juntas de dilatação. Explique em uma ou duas frases por que eles são necessários.

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Dilatação superficial e volumétrica

Uma placa ou um líquido não se dilatam em uma só direção, mas em todas. Em uma placa, a área aumenta; em um bloco ou em um líquido, o volume aumenta.

De onde vêm o 2 e o 3? Um quadrado de lado $L_0$ passa a ter lado $L_0(1+\alpha\Delta T)$, e a área fica multiplicada por $(1+\alpha\Delta T)^2 \approx 1 + 2\alpha\Delta T$, pois $(\alpha\Delta T)^2$ é minúsculo. No volume, o fator é elevado à terceira potência, e daí $3\alpha$.

Um detalhe importante: um furo se dilata como se fosse feito do mesmo material da chapa. Imagine que o furo fosse preenchido com um disco do mesmo metal: ao aquecer, o disco cresceria; retirando-o, o furo tem o mesmo tamanho que esse disco teria. Ou seja, o furo aumenta, não diminui.

Chapa com um furo circular antes e depois de ser aquecida: a chapa e o furo aumentam. Antes Depois (aquecida)

Nos líquidos só vale a dilatação volumétrica, porque eles assumem a forma do recipiente. Isso importa na compra e venda de combustível: o mesmo número de litros tem mais ou menos massa dependendo da temperatura, pois o volume muda enquanto a massa não.

Uma consequência prática é a lâmina bimetálica: duas lâminas coladas, de metais com $\alpha$ diferentes. Ao aquecer, a que tem maior $\alpha$ se alonga mais e a lâmina se curva para o lado do metal que se dilata menos. É o princípio de muitos termostatos e disjuntores.

Pratica★★☆Por começar
Uma placa quadrada de alumínio tem lado de $50{,}0\ \text{cm}$ a $20\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação linear do alumínio é…

Uma placa quadrada de alumínio tem lado de $50{,}0\ \text{cm}$ a $20\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação linear do alumínio é $\alpha = 2 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$. Calcule a área da placa e a variação de área quando ela é aquecida até $120\,^\circ\text{C}$, usando $\Delta A = A_0\,\beta\,\Delta T$ com $\beta = 2\alpha$.

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Pratica★★☆Por começar
Um posto de combustível em Goiânia recebe $10.000\ \text{L}$ de gasolina a $15\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação volumétrica da gasolina é…

Um posto de combustível em Goiânia recebe $10.000\ \text{L}$ de gasolina a $15\,^\circ\text{C}$. O coeficiente de dilatação volumétrica da gasolina é $\gamma = 1{,}1 \times 10^{-3}\ ^\circ\text{C}^{-1}$. Desprezando a dilatação do tanque, calcule o aumento de volume se o combustível chegar a $35\,^\circ\text{C}$ e explique por que isso interessa a quem compra e a quem vende.

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Pratica★★★Por começar
Uma barra de aço ($\alpha_{aço} = 1{,}2 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$) e outra de alumínio ($\alpha_{Al} = 2{,}4 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$), ambas com…

Uma barra de aço ($\alpha_{aço} = 1{,}2 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$) e outra de alumínio ($\alpha_{Al} = 2{,}4 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$), ambas com $1{,}00\ \text{m}$ a $20\,^\circ\text{C}$, são aquecidas até $120\,^\circ\text{C}$. Calcule o comprimento final de cada barra e a diferença entre eles. Depois, explique o que acontece com uma lâmina bimetálica feita com essas duas barras coladas, ao ser aquecida, indicando para qual lado ela se curva.

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Pratica★★★Por começar
Uma esfera metálica maciça tem um orifício circular, de diâmetro $2{,}000\ \text{cm}$ a $20\,^\circ\text{C}$, em uma chapa do mesmo metal (…

Uma esfera metálica maciça tem um orifício circular, de diâmetro $2{,}000\ \text{cm}$ a $20\,^\circ\text{C}$, em uma chapa do mesmo metal ($\alpha = 2{,}0 \times 10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}$). Um pino do mesmo metal tem diâmetro de $2{,}004\ \text{cm}$ a $20\,^\circ\text{C}$, portanto não passa pelo orifício. Determine a temperatura mínima em que a chapa deve ser aquecida, mantendo o pino a $20\,^\circ\text{C}$, para que o pino passe pelo orifício. Justifique por que o orifício também se dilata como se fosse feito do material da chapa.

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Condução, convecção e irradiação

O calor é energia térmica que passa espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio. Isso pode acontecer de três maneiras.

Processo Como acontece Precisa de meio material? Onde ocorre
Condução Vibração das partículas é passada de uma a outra, sem que a matéria se desloque Sim Principalmente em sólidos
Convecção Correntes de fluido: o quente, menos denso, sobe; o frio, mais denso, desce Sim Líquidos e gases
Irradiação Ondas eletromagnéticas (como o infravermelho) Não Também no vácuo
Três processos de propagação do calor: condução em uma barra, convecção em um recipiente com líquido e irradiação do Sol. Condução Convecção Irradiação

Por que a convecção acontece? O fluido aquecido se dilata, fica menos denso e sobe (lembre do empuxo); o fluido frio desce. Assim se forma uma corrente contínua. É por isso que o congelador fica na parte de cima da geladeira: o ar frio desce e resfria os alimentos. Já o ar-condicionado deve ficar no alto, e o aquecedor, embaixo.

Materiais bons condutores (metais) passam o calor rápido; isolantes (madeira, isopor, ar parado, lã) passam devagar. Por isso o cabo da panela é de madeira ou plástico. A garrafa térmica reduz as três perdas: o vácuo entre as paredes evita condução e convecção, e o espelhamento reflete a irradiação.

Volte ao começo: as folgas dos trilhos e das pontes existem porque o metal se dilata; e o calor do Sol atravessa o vácuo apenas por irradiação.

Pratica★☆☆Por começar
Classifique cada situação como condução, convecção ou irradiação: (a) o cabo de metal de uma colher esquenta quando ela fica na panela quente; (b) o calor do Sol chega à…

Classifique cada situação como condução, convecção ou irradiação: (a) o cabo de metal de uma colher esquenta quando ela fica na panela quente; (b) o calor do Sol chega à Terra; (c) o ar quente sobe e o ar frio desce dentro de uma geladeira.

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Pratica★★☆Por começar
Pedro vai a uma churrascaria e observa três situações: (I) o espeto de metal esquenta em toda a extensão mesmo com a ponta na brasa; (II) o ar acima da grelha sobe,…

Pedro vai a uma churrascaria e observa três situações: (I) o espeto de metal esquenta em toda a extensão mesmo com a ponta na brasa; (II) o ar acima da grelha sobe, levando a fumaça; (III) ele sente calor no rosto estando a dois metros da brasa, sem encostar em nada. Identifique o processo de transferência de calor predominante em cada situação e justifique cada resposta.

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Resumo

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