A maioria dos objetos sólidos sofre expansão linear quando a temperatura muda. A expansão linear é o aumento ou a diminuição do comprimento do objeto. Geralmente, o comprimento do objeto aumenta quando a temperatura sobe, enquanto diminui quando a temperatura cai. Você pode pensar que a expansão linear só ocorre em objetos como fios finos. Por exemplo, observe um carro estacionado na beira da estrada, exposto ao sol. Quando o carro superaquece, a chapa de ferro pode engrossar ou aumentar de comprimento. Telhados de casas feitos de zinco também podem sofrer expansão. Nesse caso, quando o zinco superaquece, as bordas aumentam de largura e o zinco pode até engrossar. O mesmo acontece com os trilhos de trem e com o ferro ou aço de uma ponte.
A maioria dos objetos sólidos se expande ou se contrai quando a temperatura muda, então precisamos saber como as mudanças de temperatura afetam a expansão dos objetos sólidos. Por exemplo, o vão entre os trilhos de uma ferrovia. Os trilhos são feitos de aço. Os engenheiros calcularam a largura do vão entre cada trilho. Em um dia quente, o trilho se expande alguns centímetros. Quando um trem passa, a temperatura do trilho também aumenta, fazendo com que ele se expanda por quantos centímetros? Em noites frias, os trilhos se contraem por quantos centímetros?
Com base nos resultados da análise, os engenheiros estimam a distância entre os vãos dos trilhos, de modo que, quando a temperatura dos trilhos aumentar, eles não se toquem e não se deformem.
Para nos ajudar a derivar uma fórmula que estabeleça a relação entre as mudanças de temperatura e a magnitude da expansão longitudinal, observe um objeto sólido em processo de expansão, conforme mostrado na figura abaixo.
To = temperatura inicial, T = temperatura final, Lo = comprimento inicial, ΔL = variação no comprimento, L = comprimento após a expansão, ΔT = variação na temperatura.
Quando a temperatura do objeto = T o (o objeto ainda está frio), o comprimento do objeto = L o . Quando a temperatura do objeto = T (a temperatura do objeto aumenta), o comprimento do objeto = L.
Com base nos resultados de observações e experimentos, as mudanças no comprimento de um objeto são proporcionais às mudanças 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 de um objeto também é proporcional ao seu comprimento original (Lo). Se as variações de temperatura forem as mesmas, objetos com 10 metros de comprimento, por exemplo, terão seu comprimento dobrado em comparação com objetos que têm apenas 5 metros de comprimento. Portanto, quanto mais longo o objeto, maior será sua expansão.
As alterações no comprimento do objeto (L) são proporcionais às alterações na temperatura (ΔT): ΔL α ΔT
As alterações no comprimento de um objeto (ΔL) são proporcionais ao comprimento do objeto original (L<sub> o</sub> ): ΔL ∝ L<sub> o</sub>
As variações no comprimento de cada objeto são diferentes. Embora as variações de temperatura sejam as mesmas, a dilatação do ferro não é a mesma que a do vidro. O mesmo ocorre com outros objetos. Portanto, a dilatação linear depende do coeficiente de dilatação linear de cada objeto. 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.
∆ L ∝ α
As três comparações acima são expressas em uma equação:
Descrição: ΔL = Variação no comprimento, α = Coeficiente de dilatação linear (unidades α = K⁻¹ ou (C₀ ) ⁻¹) , L₀ = Comprimento inicial, ΔT = Variação na temperatura (temperatura final – temperatura inicial )
O comprimento total de um objeto após sofrer expansão ou contração pode ser obtido somando-se o comprimento inicial do objeto (L o ) e a variação no comprimento do objeto (ΔL).
Descrição: ΔL = comprimento do objeto após a expansão ou contração, Lo = O comprimento inicial do objeto, ΔL = L – Lo = A variação no comprimento, α = O coeficiente de expansão linear (unidades de α = K-1 ou (Co)-1, ΔT = T – To = Variação de temperatura, To = A temperatura inicial, T = a temperatura final.
Se a variação de temperatura (TT o ) for negativa, então a variação de comprimento (LL o ) também será negativa.
Nesse caso, o comprimento do objeto diminui. Por outro lado, se a variação de temperatura (TT o ) for positiva, então a variação de comprimento (LL o ) também será positiva. Nesse caso, os objetos aumentam de comprimento.
A seguir, apresenta-se o valor do coeficiente de dilatação linear de objetos sólidos a uma temperatura de 20 °C. A forma das substâncias líquidas e gasosas se altera, de modo que esses dois tipos de substâncias não sofrem dilatação linear. O coeficiente de dilatação linear de um objeto sólido também depende da temperatura. Em diferentes temperaturas, o coeficiente de dilatação linear de objetos sólidos também varia. Se a diferença de temperatura não for muito significativa, a diferença no coeficiente de dilatação linear também não será significativa, podendo ser ignorada.
