A Dilatação Térmica em Materiais Metálicos
Por: BRUNA ISIDORO RABELO • 26/11/2022 • Relatório de pesquisa • 2.348 Palavras (10 Páginas) • 81 Visualizações
[pic 1] | Universidade do Extremo Sul Catarinense |
Dilatação térmica em materiais metálicos
Ana Luiza Devilla, Bruna Isidoro Rabelo, Maria Laura Cosmim dos Reis, Estevan Grosch Tavares[1]
Resumo: A dilatação térmica é o fenômeno físico no qual corpos alteram suas dimensões quando expostos a diferentes temperaturas, ocorrendo de maneira única para cada material. Eles podem sofrer tanto expansão como contração. A pesquisa foi efetuada pela matéria de Física Experimental II, da Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC), conduzida pelo docente Estevan Tavares. O trabalho, de cunho experimental, proveu a observação e o estudo da dilatação térmica, por meio de materiais como dilatômetro, trena, termômetro digital, barras metálicas de aço e cobre e demasiados outros aparelhos que proporcionaram o cálculo da dilatação térmica linear, superficial e volumétrica. Os resultados obtidos foram discutidos de maneira estatística para comprovar os erros de medida e comparar com os resultados da literatura. Com os erros e resultados obtidos, pode-se discutir sobre a grande variação de erro se comparado com as referências bibliográficas e, os motivos que levaram a ocorrência dos erros em questão.
Palavras-chave: Dilatação térmica; Aço; Cobre; Erros experimentais.
Introdução
Os materiais metálicos são normalmente combinações de elementos metálicos. Eles apresentam muitos elétrons livres, isto é, elétrons que não estão presos a um único átomo. Muitas das propriedades dos metais são atribuídas a estes elétrons. Por exemplo, os metais são excelentes condutores de eletricidade e calor. Eles são resistentes, mas deformáveis. Por isto são muito utilizados em aplicações estruturais (PADILHA, 2006).
Algumas das propriedades importantes dos materiais sólidos dependem dos arranjos geométricos dos átomos e das interações que existem entre os seus átomos ou moléculas constituintes. Cada material reage de forma diferente a uma variação de temperatura, a maioria dos materiais se expande quando aquecidos, mas esta mudança depende da constituição do material, o aumento de temperatura provoca o aumento da amplitude de vibração dos átomos, o que aumenta a distância média entre eles, resultando na expansão do material em questão, este fenômeno é denominado dilatação térmica (JR; RETHWISCH, 2016).
A dilatação que a maioria dos materiais sofre por ação do calor é uma consequência do aumento de sua energia interna, que implica em uma maior amplitude das vibrações moleculares e, portanto, um maior distanciamento entre seus constituintes estruturais. Este aumento dimensional é característico de cada material e expresso por um fator que depende da temperatura, denominado coeficiente de dilatação (AMORÓS et al., 1997).
O presente trabalho tem por objetivo, em conjunto com análises experimentais, observar o fenômeno de dilatação térmica, compreendendo-o de forma mais didática e prática, bem como construir uma base analítica com dados experimentais de diferentes materiais e seus erros de medida obtidos.
Revisão de literatura
2.1 Dilatação térmica e suas propriedades
O conhecimento da estrutura, composição, quantidade, tamanho, morfologia, relações de orientação e distribuição das fases, assim como da natureza, quantidade e distribuição dos defeitos cristalinos, são de extrema valia para o entendimento e, às vezes, até para a previsão de numerosas propriedades dos materiais. Propriedades, tais como ponto de fusão, módulo de elasticidade, densidade e coeficiente de dilatação térmica, são fracamente dependentes da microestrutura. Estas propriedades são mais dependentes da distribuição eletrônica, do tipo de ligação química predominante, e da estrutura cristalina (PADILHA, 2006).
Os átomos de um sólido cristalino se mantêm coesos num arranjo de forças interatômicas. Os átomos vibram como uma amplitude que aumenta com a temperatura. Se o sólido expande como um todo, a distância média entre átomos vizinhos deve aumentar (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2016).
A Figura um (1) mostra a curva de energia potencial U(r) para um par de átomos vizinhos numa rede, onde r é sua separação média. A energia potencial tem um mínimo em r igual a r, o espaçamento de rede que o sólido teria a uma temperatura próxima de zero absoluto. Mais importante, ainda, é o fato da curva não ser simétrica, subindo mais rapidamente quando tenta-se aproximar os átomos (r < r), que quando tenta-se afastá-los (r > r). Essa falta de simetria da função energia potencial é a responsável pela expansão térmica dos sólidos (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2016).[pic 2][pic 3][pic 4]
Figura 1 – A energia potencial U(r) para dois átomos separados por uma distância r.
[pic 5]
Fonte: Halliday, Resnick e Walker (2016)
Se a temperatura de uma barra metálica de comprimento L aumenta de uma quantidade ∆T, o seu comprimento aumenta de uma quantidade, de acordo coma equação 1, onde é uma constante chamada de coeficiente de expansão linear. O valor de depende do material e da faixa de temperatura (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2016).[pic 6][pic 7]
Tabela 1 – Coeficientes de dilatação linear
Material | α (10-6/°C) |
Aço | 12 |
Cobre | 17 |
Fonte: HALLIDAY; RESNICK; WALKER (2016).
[pic 8] | (1) |
No qual, α representa o coeficiente de dilatação linear, o comprimento inicial, a variação de temperatura e a variação do comprimento.[pic 9][pic 10][pic 11]
Sendo que é calculado subtraindo a temperatura final e a temperatura inicial, dado por[pic 12]
[pic 13] | (2) |
Do mesmo modo, calcula-se a variação de comprimento (ΔL) das barras metálicas, dado por
[pic 14] | (3) |
2.2 Dilatação térmica superficial e volumétrica
O coeficiente de dilatação linear descreve a expansão de uma única dimensão do sólido – comprimento, altura, largura, perímetro, etc. Ao desejar-se estudar o aumento da área do corpo, é útil introduzir o coeficiente de dilatação superficial β, definido por
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