Dilatação Térmica - RELATÓRIO DE PRÁTICA PDF

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RELATÓRIO DE PRÁTICA...

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1.OBJETIVOS -

Determinação do coeficiente de dilatação linear de sólidos.

2.MATERIAL -

Dilatômetro;

-

Tubos ocos de: aço, latão e alumínio;

-

Relógio comparador;

-

Quitasato (pyrex);

-

Termômetro;

-

Fita métrica;

-

Fogareiro elétrico;

3.INTRODUÇÃO A dilatação e a contração térmica ocorrem devido ao aumento e a diminuição, respectivamente, do grau de agitação das moléculas que formam o corpo. Desse modo, quando é aquecido, suas moléculas passam a vibrar com mais intensidade ocupando um volume maior. O aumento da distância entre essas moléculas causa o aumento das dimensões no corpo, que pode ocorrer de forma linear, superficial e volumétrica, caracterizadas pela variação do comprimento, área e volume, respectivamente. A dilatação linear depende de vários fatores, dentre eles: o comprimento inicial do objeto, o material de que é feito e da variação de temperatura. Assim temos que: ΔL = α L0Δt

(3.1)

A dilação térmica deve ser levada em conta em muitas situações práticas, como na construção de pontes e linhas férreas.

Figura 3.1: Estrada de ferro construída sem junta de dilatação Para o estudo da dilatação térmica linear pode-se utilizar um dilatômetro (figura 3.2), instrumento que permite determinar o coeficiente de dilatação linear medindo a variação do comprimento de finas barras ou “tubos” de materiais diferentes ao serem aquecidos. O equipamento consiste de uma base com duas hastes fixadas que apoiam o

tubo cujo material se deseja determinar o coeficiente de dilatação. Uma terceira haste ,também fixa , sustenta o relógio comparador que toca a extremidade do tubo.

Figura 3.2: Dilatômetro linear O tubo é percorrido e aquecido pelo vapor de água, transportado por um cano de

borracha, e entra em equilíbrio térmico. Ao ser aquecido o tubo se dilata, ou seja, seu comprimento aumenta, pressionando o relógio que registra a dilatação. Desse modo, utilizando a equação 3.1, pode-se determinar o coeficiente de dilatação linear: ΔL

(3.2)

α= L 0 Δt 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS

Primeiramente, montamos o experimento prendendo o tubo de aço nas hastes de sustentação do dilatômetro de modo que a extremidade fechada tocasse o relógio comparador e a extremidade aberta fosse conectada ao cano que transporta o vapor de água. Tomamos o cuidado de observar se o ponteiro do relógio estava no “zero” e se a saída lateral do tubo estava inclinada para baixo, facilitando a saída de água condensada. Em seguida, medimos o comprimento L0 do tubo (na temperatura inicial), compreendido entre o ponto de apoio fixo e a extremidade fechada que tocava o relógio. Observamos também a temperatura inicial (ambiente) marcada no termômetro, que indicava 27ºC. Posteriormente, ligamos o fogareiro deixando o vapor de água passar pelo tubo e anotamos o valor marcado pelo ponteiro do relógio assim que estacionou, indicando a dilatação. O mesmo foi feito com os tubos de alumínio e latão e os resultados obtidos estão na tabela 4.1. Tabela 4.1:Resultados experimentais MATERIAL AÇO ALUMÍNIO

L0(mm)

t(°C)

t’(°C)

α(°C-1)

47,5

27

94

1,26x10-5

94

-5

47,7

27

2,31x10

ΔL(mm) 0,4 0,75

LATÃO

47,8

27

1,94x10-5

94

0,63

Os coeficientes de cada material foram calculados utilizando a equação 3.2:

- Aço:

α=

ΔL L 0 Δt

=

0,4 475 ( 94 −27 )

= 1,26x10-5 °C-1

- Alumínio:

α=

0,75 477 ( 95−27 )

=2,31x10-5 °C-1

- Latão:

α=

0,63 478 (95 −27 )

= 1,94x10-5 °C-1

5.QUESTIONÁRIO 1.Compare o coeficiente de dilatação linear encontrado experimentalmente para cada material fornecido com os valores respectivos da literatura. Indique o erro percentual em cada caso. α experimental 1,26x10-5

Aço

−5

1,9 x10-5 −5

¿ 1,1 x 10 −1,26 x 10 ∨ ¿

¿ 1,1 x 10−5 = 0,1%

¿ 2,3 x 10−5 −2,31 x 10−5∨ ¿

Erroalumínio=

2,3 x10-5

1,94x10-5

Latão

Erroalumínio=

1,1 x10-5

2,31x10-5

Alumíni o

Erroaço=

α literatura

¿ 2,3 x 10−5 = 0,004%

¿ 1,9 x 10−5−1,94 x 10−5 ∨ ¿

¿ 1,9 x 10−5 = 0,02%

2. Na figura abaixo vemos uma junta de dilatação em uma estrada de ferro. Justifique a necessidade de juntas de dilatação em estradas de ferro em função dos resultados da prática realizada.

São necessárias, pois com a elevação da temperatura o ferro se dilata. Logo, se os trilhos fossem construídos se tocando, ocorreria o entortamento da linha férrea. 3. Uma lâmina bimetálica consiste de duas tiras metálicas rebitadas e é utilizada como elemento de controle em um termostato comum. Explique como ela funciona. A lâmina bimetálica é formada por dois metais de coeficiente de dilatação diferentes. Assim, se for aquecida, uma das lâminas se dilata mais que a outra. Para que permaneçam unidas elas se curvam. O mesmo ocorre se for resfriada, uma lâmina irá se contrair mais que a outra, causando o curvamento. 4. Explique o que ocorre ao período de um relógio de pêndulo com o aumento da temperatura. Com o aumento da temperatura, o relógio de pêndulo passa a adiantar, atrasar ou permanece marcando as horas corretamente? O período do pêndulo é dado por T= 2π √ L/g . Se aumentarmos a temperatura, o pêndulo se dilata e o comprimento L aumenta. Como T é diretamente proporcional à L, o período também aumenta. Assim, o pêndulo do relógio vai demorar mais tempo para completar uma oscilação, atrasando as horas. 5. Uma pequena esfera de alumínio pode atravessar um anel de aço. Entretanto, aquecendo a esfera, ela não conseguirá mais atravessar o anel. a) O que aconteceria se aquecêssemos o anel e não a esfera? A esfera continuaria atravessando o anel, pois ele se dilataria com o aquecimento, aumentado seu diâmetro. b) O que aconteceria se aquecêssemos igualmente o anel e a esfera? O coeficiente de dilatação da esfera é maior que a do anel. Logo, o aumento de suas dimensões seria maior que a do anel e não conseguiria mais atravessá-lo. 6. Por que a água não deve ser usada como substância termométrica?

Pois a água não se compota como os outros líquidos. Acima de 4°C a água se dilata quando a temperatura aumenta, como era de se esperar. No entanto, entre 0 e 4°C a água se contrai quando a temperatura aumenta. Além disso, ela possui um elevado calor específico, e assim demanda maior tempo e quantidade de energia para aumentar sua temperatura. 7. Explique porque a superfície de um lago congela-se primeiro quando a temperatura ambiente baixa para valores igual ou abaixo de zero grau Celsius. Quando a água da superfície é resfriada a partir de, por exemplo, 10°C, em direção ao ponto de congelamento, ela fica mais densa( mais “pesada” que a água abaixo dela) e afunda. Abaixo de 4°C, porém, um resfriamento adicional faz com que a água que está na superfície fique menos densa (mais “leve”) que a água abaixo dela, e ela permanece na superfície até congelar. Assim a água da superfície congela enquanto a água mais abaixo permanece líquida. 8. Um orifício circular numa lâmina de alumínio tem diâmetro de 30,8 cm a 100°C. Qual o seu diâmetro quando a temperatura da lâmina baixar para 0°C? (α=23x10-6 °C-1) A= A0( 1+ 2αΔt) A0=π(30,8÷2)²= 745,1 cm² A= 745,1x(1+2 x 23x10-6x100) A= 748,5 A=πr² r=

√ A÷ π

r= 15,4 cm d= 2x15,4= 30,87 cm 6.CONCLUSÃO Com base no experimento, medindo a dilatação de cada tubo e a variação da temperatura, pudemos determinar o coeficiente de dilatação linear dos materiais utilizando a equação 3.2 e verificar que, submetidos a aproximadamente a mesma temperatura, quanto maior o coeficiente de dilatação linear maior foi o aumento do comprimento de cada tubo. Assim, o alumínio teve a maior dilatação por ter o maior coeficiente e o aço teve a menor dilatação, visto que possui o menor coeficiente. Os resultados obtidos foram muito próximos dos valores da literatura, mas alguns erros podem ser atribuídos á observação incorreta da aferição do termômetro, encaixe incorreto dos tubos ao instrumento, leitura do relógio antes da estabilização do ponteiro, entre outros.

7. BIBLIOGRAFIA http://3.bp.blogspot.com/1ywX9oKJEtY/UTUWp02yXiI/AAAAAAAAADk/9en_8PY0 e9E/s1600/trilhos+envergados!.jpg (Figura 3.1) http://www.reinalab.com.br/media/catalog/product/g/_/g_dilatometro_linear_eq019a1.jp g (Figura 3.2) http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Dilatacao/superficial.php 17:20

26/05/16-

http://educacao.globo.com/fisica/assunto/termica/dilatacao-termica.html17:57

26/05/16-

Halliday, David, 1916-Fundamentos de física-Vol 2-8ºed

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE MECÂNICA

PRÁTICA 9 : DILATAÇÃO TÉRMICA

NOME: SÁDWA FERNANDES RIBEIRO MATRÍCULA: 374816 CURSO: ENGENHARIA DE ALIMENTOS PROFESSOR: JONATHAN SALES DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMETAL

FORTALEZA-23/05/2016...