* Perceber a relação entre a variação de temperatura e as dimensões de um corpo * Identificar as variáveis relacionadas ao fenômeno da dilatação * Calcular a dilatação de uma peça quando sujeita a uma variação de temperatura

Uma aula de 50 minutos

Temperatura; Escalas de temperatura.

Desenvolvimento da atividade
Motivação / Introdução (10 min.)
Do ponto de vista físico o fenômeno da dilatação decorre do conceito de temperatura. A temperatura de um corpo pode ser dada como a medida do estado de vibração dos elementos que o constituem. Quanto maior a temperatura maior será o grau de vibração ou ainda, quanto menor a temperatura menor será grau de vibração.
Essa visão “microscópica” do conceito de temperatura explica com facilidade o fenômeno da dilatação; para tanto, basta que se faça a seguinte experiência de pensamento:
A uma temperatura (T₁) os elementos constituintes de um corpo de volume (V₁) tem um certo estado vibracional. Um aumento para uma temperatura (T₂) acarretará um aumento nesse estado vibracional fazendo com que o espaço físico ocupado seja maior. O somatório de todos esses acréscimos de espaços se reverterá em um aumento da dimensão de corpo para (V₂). A dilatação (ΔV) será a diferença entre (V₂) e (V₁).
Essa idéia pode ser simulada na sala de aula da seguinte forma: Peça para que os alunos se agrupem em um canto da sala de forma que ocupem a menor área possível. Para isso terão que ficar imóveis. Se todos ao mesmo tempo começarem a dançar de forma agitada, naturalmente a área que ocupam será ampliada.

Na sala de aula (20 min.)
A dilatação de um corpo pode ser vista em função das dimensões que se leve em consideração. A dilatação a que nos referimos nos parágrafos anteriores é dita dilatação volumétrica por levar em consideração as variações de volume. Além do estudo da variação do volume poderíamos investigar também a variação de área e do comprimento do corpo que seria respectivamente as dilatações superficial e linear. Por hora, iremos trabalhar apenas com essa última.
A dilatação linear (ΔL) de um corpo depende de sua dimensão inicial (L₀), da variação de temperatura a que foi submetido (ΔT) além do tipo de material que o constitui e que se expressa através de um índice conhecido como coeficiente de dilatação linear(α). Matematicamente a relação entre essas variáveis pode ser expressa pela equação a seguir:
                                                                                    ΔL=L₀ . ΔT . α                     (1)
O fenômeno da dilatação não é algo muito visível por ocorrer em proporções muito pequenas em relação ao corpo que a sofre. Em parte isso se deve aos pequenos valores de coeficiente de dilatação dos diversos materiais. A tabela a seguir relaciona os valores de alguns materiais conhecidos.

Substância	α (°C-1)
Quartzo	0,6 . 10-6
Vidro pirex	3,2 . 10-6
Vidro comum	9 . 10-6
Aço	11 . 10-6
Concreto	12 . 10-6
Ferro	12 . 10-6
Cobre	17 . 10-6
Alumínio	22 . 10-6
Mercúrio	60,7 . 10-6

Na sala de informática (20 min.)
Exercitaremos a nossa investigação da dilatação dos materiais através do Objeto de Aprendizagem do Labvirt denominado A ferrovia (fig. 01). Esse O.A. sugere a abordagem de um problema de engenharia que é a determinação do espaçamento mínimo dos trilhos em uma ferrovia em função do material que o constitui, de seu tamanho e da amplitude máxima de temperatura a que deverá estar sujeito.
Durante a utilização do O.A. explore as seguintes questões:
* O O.A. sugere o cálculo de dilatação com uma barra de ferro. No caso do empre go de outro material como proceder?
* Uma vez conhecido o valor da dilatação como determinar o tamanho máximo da barra em um dia quente?
* Se a distância deixada entre as barras de ferro for inferior à dilatação máxima o que poderá ocorrer?
* Se a distância deixada entre as barras de ferro for muito superior à dilatação máxima o que poderá ocorrer?

  
Figura 01 – A ferrovia. Disponível em: http://www.labvirt.fe.usp.br/simulacoes/fisica/sim_termo_ferrovia.htm

 

http://www.labvirt.fe.usp.br/simulacoes/fisica/sim_termo_ferrovia.htm, http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u22.jhtm, http://www.defi.isep.ipp.pt/~ndg/site/normas/1018_VSE.pdf, http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_44.asp,

O aluno será avaliado através das suas respostas nas questões abaixo: 1) Determine o valor da dilatação sofrida pelo trilho no O.A. 2) Se esse espaço mínimo entre os trilhos não for deixado o que pode ocorrer? 3) Usando os mesmos dados do O.A.,determine: Se ao invés de usar uma barra de ferro os operários tivessem empregado uma barra de alumínio qual seria a sua dilatação? 4) Se a barra empregada tivesse 20 metros ao invés de 10. Haveria mudança na dilatação do trilho? Explique: 5) Dê pelo menos três exemplos de situações do seu dia-a-dia onde é possível identificar o fenômeno da dilatação. 6) O termômetro clínico é basicamente um tubo de vidro com mercúrio no seu interior. Estudando a tabela apresentada na aula explique o porquê do emprego desses dois materiais na confecção do termômetro clínico e não de outros. 7) As construções modernas empregam barras de ferro no interior do concreto pois isso garante maior resistência estrutural. Se o alumínio não fosse um metal tão caro poderíamos usa-lo no lugar do ferro? Explique. 8) Determine o tamanho final de uma peça de alumínio de 30cm de altura após sofrer um aquecimento de 120°C. Veja na tabela apresentada no texto o coeficiente de dilatação linear do alumínio.