Quase todas as substâncias (sólidos, líquidos e gases) expandem no aquecimento e contraem no resfriamento. A expansão de uma substância sob aquecimento é chamada de expansão térmica dessa substância. Existem três tipos de expansão: linear (aumento de comprimento), superficial (aumento de área) e expansão cúbica (aumento de volume). Os sólidos têm uma forma definida, então, quando um sólido é aquecido, ele se expande em todas as direções, ou seja, o comprimento, a área e o volume aumentam com o aquecimento. Líquidos e gases mostram apenas expansão cúbica. No aquecimento, os líquidos se expandem mais do que os sólidos e os gases se expandem muito mais do que os líquidos. Nesta lição, você vai aprender:
Ao aquecer um sólido, a energia cinética média das moléculas do sólido aumenta. Eles começam a vibrar em torno de sua posição média com grande amplitude. O resultado é que sua posição média muda de tal forma que a separação intermolecular entre as moléculas aumenta, assim o sólido se expande em todas as direções.
Experiência: Pegue uma bola de metal e um anel.
i) Disponha a bola de metal e o anel conforme mostrado na figura abaixo (figura a). A bola de metal deve deslizar pelo anel quando ambos estiverem em temperatura ambiente.
ii) Agora aqueça a bola de metal em um queimador (figura b)
iii) Coloque o aro novamente e tente passar a bola pelo aro. Você notará que a bola fica presa.
Motivo: Ao aquecer, a bola se expande e se torna maior em diâmetro.
Agora deixe a bola esfriar e tente novamente passar a bola pelo aro, você notará que a bola agora passa pelo aro. Isso ocorre porque, ao esfriar, a bola se contrai.
Expansão linear
Sempre que há um aumento no comprimento de um corpo devido ao aquecimento, a expansão é chamada de expansão linear. Consideremos a expansão linear em uma barra metálica. O aumento no comprimento de uma haste metálica no aquecimento depende dos seguintes três fatores:
Nota: O aumento do comprimento de uma haste no aquecimento não depende de ser oca ou sólida
Expansão superficial de sólidos
Quando uma placa de metal é aquecida, seu comprimento e largura aumentam. Isso aumenta a área da placa. Um aumento na área da placa depende de:
Expansão cúbica de sólidos
Quando o sólido é aquecido, seu comprimento, largura e espessura aumentam, aumentando assim o volume. Experimentalmente observa-se que o aumento do volume de um sólido depende de:
| Se L 0 é o comprimento de uma haste em 0 o C e seu comprimento em t o C é L t , então um aumento no comprimento é dado como L t - L 0 = L 0 α t α é o coeficiente de expansão linear que depende do material da haste. Sua unidade é por o C |
| Se A 0 é a área de uma placa a 0 o C e sua área em t o C é A t , então um aumento na área é dado como A t - A 0 = A 0 β t β é o coeficiente de expansão superficial que é diferente para diferentes sólidos. |
| Se V 0 é o volume de um sólido a 0 o C e sua área em t o C é V t , então o aumento no volume é dado como V t - V 0 = V 0 γ t γ é o coeficiente de expansão cúbica que é diferente para diferentes materiais. |
Relação entre α, β e γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Coeficiente de expansão linear de alguns sólidos
| Substância | Coeficiente de expansão linear ( x 10 -6 por o C) |
| Alumínio | 24 |
| Latão | 19 |
| Cobre | 17 |
| Ferro | 12 |
| Invar | 0,9 |
Expansão térmica de sólidos na vida diária
1. Trilhos : Os trilhos dos trilhos são feitos de aço. Ao colocar os trilhos nas plantas de madeira ou concreto, uma pequena lacuna é deixada entre o comprimento sucessivo dos trilhos, conforme mostrado na figura abaixo. A razão é que, no verão, devido ao aumento da temperatura atmosférica, cada trilho tende a aumentar em seu comprimento, deixando um espaço entre os dois trilhos, caso contrário, o trilho dobrará para os lados.
2. Cabos elétricos e fios telefônicos: O cabo elétrico na linha de transmissão de energia e os fios telefônicos entre dois postes podem quebrar no inverno devido à contração e podem ceder no verão devido à expansão. Por isso, ao colocar o fio entre dois postes tem-se o cuidado de que no verão os mantenham ligeiramente soltos para que não se quebrem no inverno devido à contração. E ao colocá-los no inverno, eles são mantidos em collants para que não caiam muito no verão devido à expansão.
3. Vidros usados na cozinha: Os vidros usados na cozinha geralmente são feitos de vidro pirex. A razão é que o vidro pirex tem um coeficiente de expansão cúbica muito baixo, de modo que a vidraria no aquecimento não se expande e racha.
Como os sólidos, os líquidos também geralmente se expandem com o aquecimento. Os líquidos expandem muito mais do que os sólidos quando aquecidos. Como o líquido não tem uma forma definida, mas tem um volume definido, portanto, os líquidos têm apenas expansão cúbica.
Exceção: A água se contrai ao aquecer de 0 o C a 4 o C e depois de 4 o C em aquecimento adicional ela se expande. Isso é chamado de comportamento anômalo da água.
Experiência: Pegue uma jarra, encha a parte de três quartos com água e feche a jarra. Mantenha-o na chama. Você notará que, à medida que a água é aquecida cada vez mais, o nível da água na jarra aumenta.
Nota: Quando um líquido contido no jarro é aquecido, primeiro o jarro é aquecido e assim expandirá devido a que o nível do líquido cai. Depois disso, quando o calor atingir o líquido, ele se expandirá, de modo que o nível do líquido aumentará. Assim, a expansão real do líquido é maior do que a expansão observada.
Fatores que afetam a expansão cúbica de um líquido
A expansão cúbica de um líquido depende dos seguintes três fatores:
Se V 0 é o volume de líquido a 0 o C e V t o volume de líquido a t o C, então um aumento no volume de líquido é dado como
V t - V o = V 0 γ t
onde γ é o coeficiente de expansão cúbica do líquido .
Coeficiente de expansão cúbica de alguns líquidos
| Líquido | Coeficiente de expansão cúbica γ ( x 10 -4 por o C) |
| Mercúrio | 1,8 |
| Água (acima de 15 ºC ) | 3.7 |
| Óleo de parafina | 9,0 |
| Álcool | 11,0 |
Aplicação da expansão térmica de líquidos na vida diária
A expansão térmica do líquido é usada no funcionamento de um termômetro de mercúrio. O termômetro de mercúrio consiste em um tubo capilar com uma extremidade fechada e um bulbo cilíndrico na outra extremidade. A lâmpada está cheia de mercúrio. O mercúrio é um líquido brilhante, então seu nível pode ser visto facilmente no tubo capilar. Quando o bulbo do termômetro é mantido em contato com um corpo quente, o mercúrio se expande. O nível de mercúrio aumenta no tubo capilar. O tubo é graduado para ler a temperatura. Para cada grau Celsius de aumento de temperatura, o mercúrio se expande no mesmo volume, de modo que a calibração do termômetro se torna mais fácil.
Os gases também se expandem quando são aquecidos. Os gases se expandem muito mais do que líquidos e sólidos. Como os líquidos, os gases não têm uma forma definida, portanto também têm apenas expansão cúbica. No entanto, os gases contidos em um volume fixo não podem se expandir - e, portanto, aumentos de temperatura resultam em aumentos de pressão.
Experiência: Pegue uma garrafa vazia. Anexe um balão de borracha ao seu pescoço. Inicialmente, o balão é esvaziado. Coloque a garrafa em banho-maria contendo água fervente. Depois de algum tempo você notará que o balão fica inflado conforme mostrado na figura abaixo. Isso mostra que, ao aquecer, o ar contido na garrafa se expande e enche o balão para que o balão seja inflado.
Aplicação da expansão térmica de gases na vida diária
Balão de ar quente: Os balões de ar quente funcionam com base no princípio da diferença de expansão térmica entre um gás e um sólido. Como o ar quente dentro do saco do balão aumenta de tamanho mais rápido do que o recipiente, ele estica o saco para que ele se expanda e desloque o ar mais frio (mais pesado) para fora do saco. A diferença entre a densidade do ar dentro e fora da bolsa faz com que o balão suba. O resfriamento do ar dentro do saco faz com que o balão desça.
Quando uma substância é aquecida, seu volume aumenta enquanto sua massa permanece a mesma, portanto, a densidade da substância (sendo a razão entre massa e volume) diminui com o aumento da temperatura. No caso de sólidos, a diminuição da densidade não é perceptível, mas no caso de líquidos e gases, à medida que a temperatura aumenta, o volume aumenta em uma quantidade apreciável e, portanto, a diminuição da densidade é bastante perceptível.
