A dilatação térmica é um fenômeno calculado por fórmula e relacionado com a variação de comprimento dos materiais dependendo de suas forças moleculares e suas dimensões iniciais e, quando falamos de forças intermoleculares, é importante lembrar que temperatura é uma grandeza utilizada para determinar o grau de agitação das moléculas, o que está relacionado ao fenômeno de dilatação. Vale mencionar que essa dilatação ocorre de acordo com os coeficientes de dilatação, que variam de acordo com o material.

Para entender melhor a dilatação térmica, pense no seguinte cenário: um número grande de pessoas pode ocupar um espaço pequeno, desde que elas não se movimentem (isso seria como uma placa de metal fria). Mas se essas mesmas pessoas começarem a se movimentar (correndo ou dançando, por exemplo), para evitar colisões, esses indivíduos precisariam de um maior espaço, ou seja, se espalhariam (isso seria uma placa e metal quente dilatando).

Em resumo: a tendência de um objeto quente é ter um maior volume (as moléculas desse objeto irão vibrar mais).

Coeficientes de Dilatação

A dilatação ocorrerá sempre nas três dimensões, porém, em alguns objetos predominam a linear. Dessa forma, no caso de trilhos de trem, por exempo, no qual, ocorre esse tipo de dilatação por terem uma dimensão muito maior que as demais.

Nesse sentido, a placa de metal é um exemplo de ocorrência para dilatação superficial que apresenta essa propriedade por possuir uma terceira dimensão muito menor que as demais. Já o cubo de ferro é um exemplo de ocorrência para dilatação volumétrica pois, nos cubos a dilatação é predominante em todas as 3 dimensões.

Além disso, é necessário evidenciar que cada material se comporta de maneira diferente quando é exposto ao calor, alguns dilatam mais, outros menos. Dessa maneira, dizemos que cada substância tem seu próprio coeficiente de dilatação, que pode ser definido de três formas. São elas:

• Coeficiente de Dilatação Linear: esse coeficiente relaciona-se a dilatação apenas em 1 dimensão (comprimento). Por exemplo: dilatação de um trilho de trem e de um fio.

• Coeficiente de Dilatação Superficial: já esse coeficiente está relacionado com a dilatação em 2 dimensões (comprimento e largura). Por exemplo: dilatação de uma placa de metal.

• Coeficiente de Dilatação Volumétrica: esse coeficiente relaciona-se com a dilatação em 3 dimensões (comprimento, largura e altura). Por Exemplo: dilatação de um cubo de metal.

Fórmula da Dilatação Térmica

Matematicamente, a fórmula dilatação térmica é a seguinte:

∆l = l0 . c . ∆T

(Variação do comprimento do objeto é igual ao seu comprimento inicial vezes o coeficiente de dilatação do material vezes a variação da temperatura.)

Onde,
∆l = variação de comprimento

l0 = comprimento inicial (em metros ou centímetros)

c = coeficiente de dilatação

∆T = variação de temperatura (temperatura final menos temperatura inicial em C°)

Exemplos de Dilatação

Considere uma barra de ferro com 2m de comprimento a uma temperatura de 20 C° e após passar várias horas embaixo do Sol, sua temperatura foi elevada para 40°C. Além disso, sabe-se que o ferro tem um coeficiente de dilatação linear igual a 1,2×10-5/°C, calcule o aumento do comprimento dessa barra, sabendo que esse aumento se dá devido a variação que houve da temperatura.

Anotando os dados:
L0 = 2m
∆T = (40 – 20) = 20°C
c linear = 1,2×10-5/°C
∆l = ? (o que queremos encontrar)

Jogando os dados na fórmula:

∆l = l0 . c . ∆T
∆l = 2 . 1,2 × 10-5 . 20
∆l = 48 × 10-5 m

Então, o aumento do comprimento da barra será de “48 x 10-5 m”, que equivale a aproximadamente “0,00048 metros” ou “0,48 milímetros”, gerando uma dilatação de quase meio milímetro na barra.

Notícia da UOL:

“Com sensação térmica de 43,1 C° no Rio, trilhos de trem dilatam e interrompem viagens.“

Situações como a da notícia acima revelam a aplicação dos fenômenos térmicos, em particular a dilatação. Então, os trilhos receberam energia e realizaram trabalhos (gastaram a energia que receberam) aumentando suas dimensões, com isso a estrutura foi toda comprometida.

Torre Eiffel

A Torre Eiffel tem, normalmente, 324 metros de altura. Entretanto, em dia muito quente (35°C), essa grande obra fica cerca de 14 centímetros mais alta se comparada com a mesma em dias frios (-5 °C).

Termômetro:

Nesse sentido, é possível construir um termômetro sabendo o comprimento inicial e o coeficiente de dilatação de uma determinada substância. Como por exemplo no termômetro de mercúrio, do qual sabemos o coeficiente de dilatação e o comprimento inicial e ao variarmos a temperatura, iremos descobrir a va- riação do comprimento, e assim, substituindo na fórmula, encontraremos a variação de temperatura.

Para lembrar:

O calor representa uma troca de energia térmica de um material com maior temperatura para outro de menor temperatura (o corpo de maior temperatura transfere energia térmica para o de menor temperatura).