Dilatação

O estudo da dilatação dos sólidos possui importantes aplicações práticas, como a compensação da dilatação dos pêndulos, a dilatação dos trilhos e das pontes (e o conseqüente cálculo da separação entre os segmentos) ou o fabrico da vidraria de laboratório resistente ao calor.

Chama-se dilatação todo acréscimo às dimensões de um corpo por influência do calor que lhe é transmitido. O fenômeno é explicado pela variação das distâncias relativas entre as moléculas, associada ao aumento de temperatura. Normalmente, são estudadas em separado a dilatação dos sólidos, a dos líquidos e a dos gases, distinguindo-se, no caso dos sólidos, a dilatação linear, a superficial e a volumétrica.

Os estudos teóricos partem do conceito de coeficiente de dilatação, definido como o aumento de volume, área ou comprimento experimentado pela unidade de volume (área ou comprimento) quando a temperatura varia de 1o C. Ao denominar-se   o coeficiente, se a temperatura varia de tO C, o aumento será  ; se o volume inicial era vo, o aumento total será  , de forma que o volume v após a dilatação pode ser escrito como  .

De modo geral, os sólidos se dilatam menos do que os líquidos e estes menos do que os gases. Uma barra de ferro com um metro de comprimento a 0o C dilata-se apenas 1,2mm se a temperatura aumenta para 100o C (seu coeficiente de dilatação linear é, portanto, 1,2 x 10-5). Caso se deseje alongar a mesma barra por meio de uma força de tração, para idêntico acréscimo de comprimento seria necessário aplicar-lhe uma força de 2.400kg por unidade de área. Pode-se introduzir um conceito um pouco mais rigoroso de coeficiente de dilatação. Chamando de  , respectivamente, os coeficientes linear, superficial e volumétrico, ter-se-ia:

Um fio de aço apresenta curiosa anormalidade de dilatação, pois quando a temperatura atinge cerca de 700o C o fio experimenta uma contração para voltar a dilatar-se pouco depois. O fenômeno, reversível, denomina-se recalescência. As ligas de aço-níquel dilatam-se muito pouco e o coeficiente de dilatação   varia com a maior ou menor percentagem de níquel nelas contida. O menor valor de   corresponde a 36% de níquel, sendo a liga denominada invar; para 46% de níquel, esse coeficiente torna-se igual a 0,9 x 10-5, valor igual ao da platina e ao do vidro comum, sendo a liga denominada platinite.

Alguns corpos como a borracha e a argila contraem-se quando a temperatura se eleva. Esses corpos se aquecem quando são alongados por uma força de tração, ao contrário dos demais, que têm sua temperatura reduzida. A água dilata-se irregularmente. Um volume de água aquecido a partir de 0o C se contrai até 4o C; aí começa a dilatar-se. A água a 4o C possui, portanto, sua maior densidade, sendo tomada como unidade. Por isso as camadas profundas de mares e lagos estão à temperatura constante de 4o C.