Se você observar os cabos elétricos de perto, notará que eles são curvados para baixo devido à folga. Por que os cabos elétricos são deliberadamente frouxos, em vez de simplesmente tensionados? A maioria dos telhados em Flores e Lembata, Nusa Tenggara Oriental, é feita de zinco (Zn). Durante o dia ou à noite, os telhados de zinco fazem barulho. Por que o zinco faz barulho? Se você mora na ilha de Java, pode ter observado trilhos de trem. Há espaços nas juntas dos trilhos. Qual é a função desses espaços nas juntas dos trilhos? Há muitas coisas sobre as quais você pode pensar e perguntar relacionadas ao tema da expansão.
Expansão de comprimento
A maioria dos sólidos sofre dilatação linear quando sua temperatura muda. Isso se refere a um aumento ou diminuição no comprimento. Normalmente, o comprimento de um objeto aumenta com o aumento da temperatura, enquanto diminui com a diminuição da temperatura. Você pode pensar que a dilatação linear ocorre apenas em objetos como fios finos. Por exemplo, considere um carro estacionado na beira da estrada, exposto à luz solar. Quando o carro superaquece, a chapa metálica pode ficar mais espessa ou o comprimento de suas laterais pode aumentar. Um telhado de zinco também pode sofrer dilatação linear. Nesse caso, quando o zinco superaquece, as bordas se expandem e o zinco também pode ficar mais espesso. O mesmo acontece com trilhos de trem e pontes de ferro ou aço.
A maioria dos sólidos se expande ou contrai quando sua temperatura muda, por isso precisamos entender como as mudanças de temperatura afetam a expansão dos sólidos. Isso é muito útil no projeto de equipamentos, edifícios, veículos, etc. Por exemplo, os vãos nos trilhos de trem. Os trilhos de trem são feitos de aço. Os engenheiros calcularam a largura dos vãos entre cada trilho. Em um dia quente, os trilhos se expandem em vários centímetros. Quando um trem passa por eles, a temperatura dos trilhos também aumenta, fazendo com que se expandam em quantos centímetros? Em uma noite fria, os trilhos se contraem em quantos centímetros? Com base na análise, os engenheiros estimam a distância entre os vãos dos trilhos para que, quando a temperatura dos trilhos aumentar, eles não se toquem e se deformem.
Para nos ajudar a deduzir a fórmula que relaciona a variação de temperatura com a quantidade de dilatação linear, considere um objeto sólido em processo de expansão, como mostrado na figura à direita. Legenda: To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = comprimento inicial, L = comprimento após a expansão, delta L = variação no comprimento, delta T = variação na temperatura.
Quando a temperatura do objeto é igual a T<sub> o</sub> (o objeto ainda está frio), o comprimento do objeto é igual a L<sub> o</sub> . Quando a temperatura do objeto é igual a T (a temperatura do objeto aumenta), o comprimento do objeto é igual a L. Com base nos resultados de observações e experimentos, a variação no comprimento do objeto é proporcional à variação de temperatura. Se a temperatura aumenta, o comprimento do objeto aumenta. Por outro lado, quando a temperatura diminui, o comprimento do objeto diminui. A variação no comprimento do objeto também é proporcional ao comprimento inicial do objeto (L<sub>o </sub> ). Se a magnitude da variação de temperatura for a mesma, um objeto com 10 metros de comprimento, por exemplo, terá seu comprimento dobrado em comparação com um objeto de apenas 5 metros de comprimento. Portanto, quanto maior o comprimento do objeto, maior será sua expansão.
A variação no comprimento de um objeto (ΔL) é proporcional à variação na temperatura (ΔT):
A variação no comprimento do objeto (delta L) é proporcional ao comprimento inicial do objeto (L).o):
A variação no comprimento de cada objeto é diferente. Mesmo sendo grande. mudanças de temperatura De forma semelhante, a dilatação sofrida pelo ferro não é a mesma que a sofrida pelo vidro. O mesmo se aplica a outros objetos. Portanto, a dilatação linear depende do coeficiente de dilatação linear de cada objeto. O coeficiente de dilatação linear de cada objeto é obtido por meio de experimentação. Quanto maior o coeficiente de dilatação linear, maior o aumento no comprimento. Quanto menor o coeficiente de dilatação linear, menor o aumento no comprimento. Pode-se dizer que a variação no comprimento de um objeto é proporcional ao seu coeficiente de dilatação linear.
As três comparações acima são expressas em uma equação:
O comprimento total de um objeto após sofrer expansão ou contração pode ser obtido somando-se o comprimento inicial do objeto (L).o) e alterações no comprimento do objeto (delta L).
Quando a temperatura muda (TT)o) é negativo, então a mudança no comprimento (LL)o) também é negativo. Nesse caso, o comprimento do objeto diminui. Por outro lado, se a mudança de temperatura (TT)o) é positivo, então a mudança no comprimento (LLo) também é positivo. Nesse caso, o objeto aumenta de comprimento.
A seguir, apresenta-se o coeficiente de dilatação linear de sólidos a uma temperatura de 20 ° C. Líquidos e gases mudam de forma, o que os impede de sofrer dilatação linear. O coeficiente de dilatação linear dos sólidos também depende da temperatura. Em diferentes temperaturas, o coeficiente de dilatação linear dos sólidos também varia. Se a diferença de temperatura não for muito grande, a diferença no coeficiente de dilatação linear também não será muito grande, podendo, portanto, ser ignorada.
Expansão de volume
A expansão longitudinal ocorre apenas em objetos sólidos, enquanto a expansão volumétrica ocorre em todos os objetos, sejam eles sólidos, líquidos ou gasosos. A equação para a expansão volumétrica é semelhante à equação para a expansão longitudinal.
A equação de expansão volumétrica acima é válida apenas quando a variação de volume de um objeto (seja sólido, líquido ou gasoso) é menor que o volume inicial do objeto. Se a variação de volume de um objeto for maior que o volume inicial, a equação de expansão volumétrica não fornece resultados precisos. Normalmente, a variação de volume sofrida por objetos sólidos não é muito grande. Em contraste, o coeficiente de expansão volumétrica de líquidos e gases é bastante elevado. O coeficiente de expansão volumétrica dos gases também varia facilmente com as mudanças de temperatura. Portanto, a fórmula acima é usada apenas para a expansão de objetos sólidos. A fórmula para determinar a variação de volume de gases será estudada no tópico de teoria cinética dos gases no 11º ano.
