Calor faz corpos físicos aumentarem de tamanho

Os objetos que nos cercam, assim como nós mesmos, somos formados por pequenas partículas conhecidas como moléculas. Esses objetos, quando se encontram no estado sólido, terão as suas moléculas fortemente ligadas uma nas outras e por isso a movimentação delas se restringem a pequenas oscilações.

O grau dessas oscilações determina uma grandeza física muito conhecida por nós, a temperatura. Em outras palavras, quanto mais agitadas estiverem as moléculas, maior será a temperatura. Quanto menor o estado de agitação molecular, menor a temperatura.

Desse fenômeno extrai-se uma conseqüência fundamental para o que se e estuda aqui. Quanto mais agitadas estiverem as moléculas de um determinado objeto, mais afastadas elas estarão entre si. O resultado disso é um aumento no tamanho do objeto, ou seja, quando aquecido, ele sofre uma dilatação.

Observe a figura abaixo:

O aumento de temperatura provoca um afastamento das moléculas e um conseqüente aumento do tamanho do corpo.

A dilatação térmica é algo muito comum no nosso dia a dia, pois os objetos são constantemente submetidos a variações de temperatura. Na engenharia, esse fenômeno deve ser considerado na construção de algumas edificações, como por exemplo, na construção de pontes e viadutos.

Essas construções costumam ser feitas em partes e, entre essas partes, existe uma pequena folga para que, nos dias quentes, ocorra a dilatação sem nenhuma resistência. Do contrário, teríamos algum comprometimento da estrutura.

Dilatação linear

A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que o comprimento é a dimensão mais importante, como por exemplo, em cabos e vigas metálicas.

Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, corpos com esse formato sofrerão, principalmente, variações no comprimento.

Essas variações estão diretamente relacionadas a três fatores:

o comprimento inicial do objeto (representada por L₀);

o material de que ele é feito (representado por α);

a variação de temperatura sofrida por ele (representada por Δθ

A partir desses três fatores, pode-se chegar a uma equação matemática que mostra como determinar a alteração de comprimento sofrida por um corpo devido a variações de temperatura, como se vê na figura abaixo, em que

representa precisamente a alteração de comprimento:

Dilatações superficial e volumétrica

As dilatações superficial e volumétrica são aquelas em que prevalecem, respectivamente, variações de área e de volume.

Os fatores que influenciam a dilatação térmica nesses casos são os mesmos da dilatação linear, ou seja: a dimensão inicial do material e a variação de temperatura.

Assim, as equações que determinam essas dilatações são muito semelhantes à equação da dilatação linear, como se pode ver no quadro abaixo.

As constantes Β e γ são os respectivos coeficientes de dilatação superficial e volumétrica.

É importante assinalar que os três coeficientes apresentados se relacionam quando se trata de um único material.

LINKs DO DIA 1- Aula do Micrinho 2- Resumo da teoria

3- Exercícios Comentados

VÍDEOS SOBRE DILATAÇÃO

Experiência 1

Revendo a teoria estudada

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CURIOSIDADE DO DIA

Um dia conseguiremos ver um

Atomo?

O questionamento, frequente entre estudantes e por quem se interessa por física, é relativo. Primeiro, porque vemos átomos o tempo todo, já que todas as coisas são feitas de átomos. Porém, ver um átomo isoladamente é impossível.

Segundo Luiz Sampaio, membro do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas do Ministério da Ciência e Tecnologia, o conceito de "ver" que temos do nosso cotidiano requer que um objeto reflita a luz e que ela venha até nossos olhos. "Quando vejo um carro na rua é isso que acontece. Mas se o objeto for muito pequeno, precisaremos de uma lente, pode ser simplesmente um óculos ou uma lente de microscópio, mas ainda assim o processo é o mesmo, vejo, enxergo porque a luz refletida pelo objeto vem até meus olhos", explica.

Mas diminuindo ainda mais o tamanho do que se quer ver, vamos ter problemas. Primeiro, porque a luz é uma onda e tem oscilações, chamadas de comprimento de onda. A oscilação de uma onda é de 0,6 micrometros se a luz for vermelha e de 0,4 micrometros se for azul.

"Se o objeto for do tamanho do comprimento de onda, ou menor, a "reflexão" é complicada, é completamente difusa, e a imagem do objeto se "perde", e não pode ser obtida. Ou seja, existe um limite mínimo de quanto posso ver, mesmo com lente, utilizando uma luz para a iluminação. Mas sei que se usar o azul este limite é menor do que se utilizar o vermelho", diz Sampaio.

A alternativa

O físico coloca como alternativa o uso de elétrons, que também se comportam como ondas, ao invés de luz. De acordo com sua energia, elétrons podem ter um comprimento de onda de 0.0025 nm, ou 0,0000025 micrometros, bem menor do que o azul ou o vermelho. "Ou seja, se usarmos elétrons teremos um limite muito menor, poderemos "ver" objetos muito menores. Só pra ter uma ideia, a distância entre átomos em metais é da ordem de 0,3 nm", esclarece.

Um microscópio que usa elétrons para iluminar é chamado de microscópio eletrônico e, com a vantagem de poder manipular os elétrons com campos elétricos e magnéticos, é possível obter a funcionalidade de uma lente, inclusive com foco.

Uma das variantes desta tecnologia é o microscópio eletrônico de tunelamento, que funciona com uma corrente elétrica fornecida a uma sonda, enquanto um scanner move a sua ponta rapidamente pela superfície de uma amostra condutora. Quando a ponta encontra um átomo, o fluxo de elétrons entre o átomo e a ponta muda, e um computador registra esta mudança com a posição x,y do átomo.

O scanner continua posicionando a ponta sobre cada ponto x,y da superfície de amostra, registrando uma corrente para cada ponto. Por fim, o computador coleta os dados e desenha um mapa da corrente sobre a superfície que corresponde a um mapa das posições atômicas.

Então a conclusão é que podemos ver um átomo? "Não é bem assim porque a iluminação com elétrons não é simples tal como ocorre com a luz. Os elétrons interagem com os átomos e o que temos no detector é uma representação do átomo. E de acordo com a técnica podemos ter diferentes representações, e com elas temos informações diferentes do átomo", diz o físico.

Para ele, os avanços tecnológicos não devem mudar esta realidade. "As microscopias avançarão, ficarão mais sofisticadas, mais precisas. Mas sempre teremos representações do mundo atômico segundo o tipo de interação que utilizamos para inferir. O "ver" é uma imagem segundo essa interação. Talvez no futuro seja possível obter imagens do interior do átomo e de suas partículas elementares. Mas será uma imagem segundo algum tipo de interação que se desconhece. De qualquer forma, esta imagem será diferente da noção que temos de "ver", completa.

TIRINHA DO DIA