• Verificar experimentalmente a dilatação linear.
• Analisar fenômenos relacionados com a dilatação térmica.
• Que os espaços vazios de um objeto, perante o processo da dilatação térmica, se comportam como se esses espaços vazios estivessem preenchidos com o mesmo material constituinte do objeto.

          Conceitos de calor e temperatura

          Sugerimos que o professor após fazer uma rápida explicação do conteúdo que será visto durante a aula, faça uma exibição do filme, cujo vídeo se encontra disponível no endereço abaixo.

Mago da Física - Termoscópio 

Atividade I

          Discuta o experimento demonstrado no filme e explique se necessário, o funcionamento do termoscópio usado. Em seguida, faça uma prática sobre dilatação volumétrica, bastante simples e de material bem acessível. Desenvolva o experimento à frente da turma, na mesa da sala, por exemplo, de modo que todos possam observar, adquira o material previamente para levá-lo para a aula. Se preferir, divida a turma em grupos de 4 estudantes para que toda a turma possa participar do experimento, se não tiver espaço próprio, laboratórios, em sua escola, faça na sala de aulas.

Material necessário para cada montagem:

• Uma garrafa vazia, de plástico ou de vidro;
• Um balão de borracha, desses de soprar usado em festas de crianças;
• Um recipiente com água quente de tamanho suficiente para caber a garrafa dentro da água.

          Explique aos alunos como deverão proceder e atente-os para os cuidados, principalmente com água quente, necessários para evitar acidentes.

          Procedimento:

          Conecte a boca do balão no gargalho da garrafa, veja esquema B da Figura 01. Coloque a garrafa dentro de um recipiente com água quente, esquema C da figura. Se possível para evidenciar mais o resultado do experimento, deixe a garrafa na geladeira até o instante de iniciar o experimento, assim, o ar dentro da garrafa ao ser aquecido pela água sofrerá maior variação de sua temperatura.

          Pergunte para a turma responder oralmente:

O que acontece com o balão?

Como se explica o que ocorreu?

• Deverão observar que o balão na boca da garrafa começa a encher depois que a garrafa é colocada na água quente como na seqüência dos esquemas D e E, da Figura 02.
• Tal ocorrência se deve ao fato que o ar ao ser aquecido, dilata, tende a se expandir, aumenta a pressão penetrando no balão que se expande devido à pressão do ar.

Atividade II

          Depois o professor poderá apresentar o vídeo sobre dilatação superficial que também está disponível na internet segundo o endereço abaixo.

http://www.youtube.com/watch?v=jSxQIGXUBVQ

Acesso em 05/09/2011.

          Além do vídeo, o professor poderá realizar uma prática experimental, semelhante à prática apresentada no filme acima, para observar a dilatação superficial. Se em sua escola possuir material para aulas práticas de Física é possível que no kit termologia se encontre um similar ao anel de Gravesande.

          Não tendo esse conjunto, poderá fabricar um dispositivo rudimentar para substituí-lo.

Material necessário:

• Uma placa de alumínio de aproximadamente 15 cm de largura por 20 cm de comprimento;
• Um parafuso pequeno;
• Uma chama de gás ou um pouco de álcool e um recipiente pequeno, não inflamável.

          Em uma oficina recorte um círculo no centro da placa de aproximadamente 5 cm de diâmetro, esquema A da Figura 03.

          Recorte um disco que pode ser do próprio alumínio, cujo diâmetro seja ligeiramente maior que o diâmetro do orifício, de tal maneira que ajusta perfeitamente no orifício da placa, mas não o atravessa. Nesse disco por meio de parafuso ajuste um pequeno cabo de madeira para segurá-lo, esquema B, na figura.

          Sobre a mesa da sala de aulas ou em um ponto estratégico para que todos os alunos observem, mostre que o disco não atravessa o orifício da placa de alumínio, esquema C da figura. Deixe que vários alunos, escolhidos aleatoriamente, certifiquem esse fato.

          Em seguida acenda a chama de gás ou álcool e segure a placa sobre a chama, use um alicate para segurar a placa, D na Figura 03.

          Depois de manter a chapa sobre a chama durante 5 minutos, segure o cabo do disco e tente atravessá-lo no orifício da placa, esquema E na figura.

          Terminada a exposição, faça a seguinte pergunta para os alunos responderem por escrito e individualmente:

O que deverá ter ocorrido com o volume da placa devido ao aquecimento?

Então o que ocorreu com sua área?

O que o experimento pode provar sobre o orifício da placa ao ser aquecido?

          Dê um intervalo de 3 minutos, peça alguns para ler a resposta. Discuta com eles, faça uma análise das respostas e explique cada questionamento. Deverão ter chegado a conclusões equivalentes a:

• Por analogia ao ar contido na garrafa no experimento anterior, do balão, é de se esperar que ao se aumentar a temperatura da placa, seu volume também aumenta.
• Como o volume aumenta deverá ter aumentado todas as dimensões da placa, largura, comprimento e espessura, então sua área aumentou.
• A área do orifício aumentou, pois após o aquecimento, o disco coube no  orifício, passou por ele, antes não cabia; se a área do orifício aumentou, ele também sofreu dilatação; tudo se passou como se o orifício fosse constituído do mesmo material da placa, alumínio, no caso.

Atividade III

          Em seguida, o professor deverá então reforçar com os alunos que toda dilatação térmica ocorre em todas três dimensões, ou seja, é volumétrica, mas em certas circunstâncias interessa-se apenas em uma ou duas dimensões. Na chapa acima, por exemplo, a variação na espessura devido ao aumento de temperatura é quase imperceptível, o que torna desprezível, e neste caso interessa-se apenas pela variação das outras duas dimensões, isto é, pela área da chapa. De modo semelhante, um tubo ou uma barra de pequenas dimensões, interessa-se apenas a variação do comprimento pela variação da temperatura, neste caso tem-se a dilatação linear.

          Para verificar qualitativamente a dilatação linear, o professor poderá fazer uma montagem bastante simples, mas com resultado bastante satisfatório, uma vez que o aluno aprende fazendo. Como o material é simples e barato, o professor poderá preparar um kit para cada grupo de 4 alunos que deverão executar o experimento, preferencialmente no laboratório, mas se não existir laboratório na escola, pode ser realizada na própria sala de aulas.

Material:

• Um metro de fio metálico rígido de pelo menos 2 mm de diâmetro para que possa ser mantido reto, no mercado se encontra facilmente, de cobre ou de alumínio;
• Pequenos blocos de madeira ou de concreto para servir de suporte;
• Um canudinho de plástico ou palito de madeira de 20 cm de comprimento.
• 10 pedaços de vela cerca de 5 cm de comprimento.

Procedimento:

1.      Coloca-se o fio de metal de tal modo que suas extremidades fiquem apoiadas sobre suportes, a uma altura um pouco superior às velas, veja o esquema na parte inferior da Figura 04.

2.      Uma das extremidades do fio deve ficar encostada em outro bloco para que ele não desloque naquele sentido, para a esquerda no esquema da figura.

3.      Na outra extremidade do fio, prende-se um palito de madeira ou um canudinho de plástico a 2,0 cm de sua extremidade inferior; para prender o palito use um pedaço de fita adesiva, veja detalhes na parte superior esquerda da Figura 04. Tenha o cuidado de manter o fio de tal modo que ele fique na vertical, com o ponto inferior fixo sobre um pequeno furo num bloco de madeira, veja a figura.

4.      Fixe uma folha branca, pedaço de cartolina, na vertical encostada no palito e marque um traço no ponto correspondente à extremidade do ponteiro, palito ou canudinho, Figura 04.

5.      Acenda todas as velas e aguarde um intervalo de tempo de 5,0 minutos ou mais, até observar que a extremidade superior do ponteiro deslocou uma distância mensurável com uso de uma escala graduada em milímetros.

6.      Faça novamente um traço na folha correspondente à nova posição da extremidade do ponteiro. Retire a folha e meça a distância, cotada com um x, no esquema da Figura 05.

Obs. Se o professor quiser dar um aspecto quantitativo ao experimento, ele poderá substituir as velas por uma cuba de água, aquecendo-a até a ebulição como esquematizado na Figura 06. Para aquecer a água será mais prático usar um ebulidor elétrico; utilize também um termômetro para medir a temperatura da barra antes e após a água entrar em ebulição, que deverá ter uma temperatura de ebulição um pouco inferior à 100^oC, para latitudes acima do nível do mar.

          Peça aos alunos que com o valor de x obtido, calcule a variação do comprimento do fio, (L – L_o), em que L é o comprimento final do fio após ser aquecido e L_o é seu comprimento inicial, antes de ser aquecido.

• O esquema da Figura 07 ilustra as duas posições do ponteiro, C e B, antes e ao final do aquecimento. Os triângulos ABC e ADE, à esquerda na Figura 07, são semelhantes; possuem um ângulo comum e os lados opostos a esse ângulo são paralelos. Pode-se então escrever:
• x/(L – L_o) = 20/2
• x/(L – L_o) = 10
• (L – L_o) = x/10
• Por exemplo, se algum grupo mediu x = 0,5 cm, a variação do comprimento da barra foi de 0,05cm ou 0,5 mm.

Depois, o professor deverá explicar para a turma que a dilatação além de ser diretamente proporcional à variação da temperatura, quanto maior o aumento da temperatura maior a dilatação, é também proporcional aos valores iniciais de cada grandeza. Informação essa, muito lógica, uma vez que; se 1 m de uma barra, aumenta de 1 mm em seu comprimento devido a um aumento de temperatura, uma barra de 2 metros desse mesmo material aumentaria 2 mm ao sofrer o mesmo aumento de temperatura; se a  barra tivesse 3 metros aumentaria 3 mm e assim sucessivamente. O mesmo pode-se concluir da dilatação superficial e volumétrica.

          Essas conclusões estão expressas matematicamente no quadro abaixo, Figura 07. O professor se desejar, poderá projetar essa figura numa tela para agilizar sua explicação.

          Para que o aluno possa comparar alguns valores do coeficiente de dilatação térmica entre algumas substâncias ou materiais, o professor poderá apresentar uma tabela para a turma.

          Abaixo alguns valores de coeficiente de dilatação linear para os sólidos, e volumétrico para os líquidos, de algumas substâncias ou materiais.

Extraído do livro: Física, Alberto Gaspar, volume 2, Editora Ática, 2003.

Material   -  coeficiente de dilatação linear -coeficiente de dilatação volumétrico

Alumínio............................. 24.10^-6/ ^oC    ...........................................................

Latão .................................. 19.10^-6/ ^oC    ...........................................................

Cobre .................................. 17.10^-6/ ^oC    ...........................................................

Aço ..................................... 11.10^-6/ ^oC    ...........................................................

Vidro comum ...................... 9,0.10^-6/ ^oC   ...........................................................

Vidro Pirex ......................... 1,2.10^-6/ ^oC    ...........................................................

Álcool etílico ........................................................................... 11.10^-4 /^oC

Gasolina ................................................................................... 9,6.10^-4 /^oC

Mercúrio .................................................................................. 1,8.10^-4 /^oC

Éter ........................................................................................... 15.10^-4 /^oC

Glicerina ................................................................................... 4,9.10^-4 /^oC

          Acesse os sites abaixo, são bastante interessantes. Acessos obtidos em 06 de setembro de 2011.

http://www.efeitojoule.com/2009/09/dilatacao-termica-termica-dilatacao.html

http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/dilata.htm

          Peça aos alunos que, em horários não conflitantes com suas aulas, pesquise, e em equipes ou individualmente, respondam as seguintes questões, a serem discutidas em uma aula posterior:

·        Porque os recipientes fechados que armazenam líquidos, como garrafas, tanques, vidros, etc, não tem seu espaço interno totalmente preenchido, mantendo um espaço vazio na parte superior?

·        Porque nos dias mais quentes, os cabos de transmissão elétrica ou telefônica sofrem aumento em suas curvaturas?

·        Porque existe um espaço não preenchido, entre as extremidades dos trilhos de ferro, da via férrea?

·        Porque se uma pessoa encher totalmente com álcool ou gasolina o tanque de combustível de um carro e deixá-lo exposto ao Sol, transbordará parte do combustível?