A matéria no estado sólido tem forma própria e volume definido, pois as suas moléculas estão fortemente ligadas entre si e apresentam um movimento mínimo, praticamente estacionário. Ao aquecer um sólido, como uma barra de ferro ou uma esfera metálica, ele se dilata em todas as direções.
A dilatação térmica dos sólidos é um dos temas na Física que podemos observar no nosso dia a dia. Você já viu que, para abrirmos uma tampa metálica emperrada de um vidro de conversa, basta mergulharmos a tampa na água quente? O metal se dilata mais que o vidro e, por isto, a tampa logo se soltará.
A maioria dos objetos aumenta de tamanho quando aumentamos sua temperatura, sendo que os sólidos que melhor se dilatam são os metais, principalmente o alumínio e o cobre.
Por que os sólidos se dilatam?
A dilatação térmica dos sólidos ocorre porque, quando um corpo absorve calor, a agitação térmica de suas moléculas torna-se mais intensa, o que provoca um aumento na temperatura desse corpo. Ao aumentar a agitação térmica, aumenta a amplitude de vibração de cada átomo e, desta forma, o volume necessário para acomodar as moléculas de um material em alta temperatura será maior do que o volume ocupado pelos mesmos átomos quando o corpo está em temperaturas mais baixas.
O aquecimento leva os sólidos a se dilatarem em todas as direções, porém, às vezes a dilatação predomina numa só direção, a chamada dilatação linear. Quando duas direções são predominantes ou notadas, tem-se a dilatação superficial, e quando a variação é importante em termos de comprimento, altura e da largura, considera-se a dilatação volumétrica.
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Dilatação linear, superficial e volumétrica
Dilatação linear
Esta dilatação corresponde ao aumento do comprimento dos corpos ao serem aquecidos. Se você observar uma ferrovia, vai notar que, ao longo do mesmo trilho, há um pequeno intervalo entre os trilhos de ferro. Isto é necessário porque, se uma linha férrea fosse construída com os trilhos se tocando, a dilatação térmica do material deformaria os trilhos.
O instrumento usado para comprovar e medir a dilatação linear é chamado pirômetro de quadrante.
Dilatação superficial
Na dilatação superficial leva-se em consideração a variação da área do sólido dilatado, como, por exemplo, sua largura e seu comprimento.
Dilatação volumétrica
Refere-se à variação do volume do sólido, isto é, de seu comprimento, de sua altura e largura. A dilatação volumétrica de um corpo pode ser medida e comprovada por meio de um instrumento denominado anel de Gravezande.
Equações da dilatação dos sólidos
As experiências realizadas com barra metálica aquecida mostram uma variação Δl (delta L) no comprimento diretamente proporcional ao comprimento original da barra como à variação do ΔӨ da temperatura. Assim sendo, a equação da dilatação linear pode ser escrita da seguinte maneira:
Δl = α.l0.ΔӨ onde:
α é o coeficiente de dilatação linear do material (depende da natureza de cada material)
l0 é o comprimento inicial do material.
Para a dilatação superficial ΔS, temos:
ΔS = β.S0.ΔӨ onde:
β é o coeficiente de dilatação superficial do material e vale β = 2α
S0 é a área inicial da superfície.
E para a dilatação volumétrica temos a seguinte equação:
ΔV = γ.V0.ΔӨ onde:
γ é o coeficiente de dilatação volumétrica do material e vale: γ = 3α
V0 é o volume inicial do corpo
