Sabe-se que sob a influência do calor as partículas aceleram seu movimento caótico. Se você aquecer um gás, as moléculas que o compõem simplesmente se espalharão. O líquido aquecido primeiro aumentará de volume e depois começará a evaporar. O que acontecerá com os sólidos? Nem todos podem alterar seu estado de agregação.
Definição de expansão térmica
A expansão térmica é uma mudança no tamanho e forma dos corpos com uma mudança na temperatura. Matematicamente, é possível calcular o coeficiente de expansão volumétrica, o que permite prever o comportamento de gases e líquidos em condições externas variáveis. Para obter os mesmos resultados para sólidos, o coeficiente de expansão linear deve ser levado em consideração. Os físicos escolheram uma seção inteira para esse tipo de pesquisa e a chamaram de dilatometria.
Engenheiros e arquitetos precisam conhecer o comportamento de diferentes materiais sob a influência de altas e baixas temperaturas para o projeto de edifícios, assentamento de estradas e tubulações.
Expansão de gás
Térmicoa expansão dos gases é acompanhada pela expansão do seu volume no espaço. Isso foi percebido pelos filósofos naturais nos tempos antigos, mas apenas os físicos modernos conseguiram construir cálculos matemáticos.
Em primeiro lugar, os cientistas se interessaram pela expansão do ar, pois lhes parecia uma tarefa viável. Eles se dedicaram aos negócios com tanto zelo que obtiveram resultados bastante contraditórios. Naturalmente, a comunidade científica não ficou satisfeita com tal resultado. A precisão da medição dependia de qual termômetro foi usado, da pressão e de uma variedade de outras condições. Alguns físicos chegaram à conclusão de que a expansão dos gases não depende de mudanças de temperatura. Ou esse vício está incompleto…
Obras de D alton e Gay-Lussac
Os físicos continuariam a discutir até ficarem roucos ou teriam abandonado as medições se não fosse por John D alton. Ele e outro físico, Gay-Lussac, conseguiram obter independentemente os mesmos resultados de medição ao mesmo tempo.
Lussac tentou descobrir o motivo de tantos resultados diferentes e percebeu que alguns dos aparelhos da época do experimento tinham água. Naturalmente, no processo de aquecimento, transformou-se em vapor e alterou a quantidade e a composição dos gases estudados. Portanto, a primeira coisa que o cientista fez foi secar completamente todos os instrumentos que ele usou para conduzir o experimento e excluir até a porcentagem mínima de umidade do gás em estudo. Depois de todas essas manipulações, os primeiros experimentos se mostraram mais confiáveis.
D alton lidou com esse problema por mais temposeu colega e publicou os resultados no início do século 19. Ele secou o ar com vapor de ácido sulfúrico e depois o aqueceu. Após uma série de experimentos, John chegou à conclusão de que todos os gases e vapor se expandem por um fator de 0,376. Lussac obteve o número 0,375. Este se tornou o resultado oficial do estudo.
Elasticidade do vapor de água
A expansão térmica dos gases depende de sua elasticidade, ou seja, da capacidade de retornar ao seu volume original. Ziegler foi o primeiro a investigar essa questão em meados do século XVIII. Mas os resultados de seus experimentos variaram muito. Números mais confiáveis foram obtidos por James Watt, que usou um caldeirão para altas temperaturas e um barômetro para baixas temperaturas.
No final do século 18, o físico francês Prony tentou derivar uma única fórmula que descrevesse a elasticidade dos gases, mas acabou sendo muito complicada e difícil de usar. D alton decidiu testar todos os cálculos empiricamente, usando um barômetro de sifão para isso. Apesar do fato de que a temperatura não foi a mesma em todos os experimentos, os resultados foram muito precisos. Então ele os publicou como uma tabela em seu livro de física.
Teoria da evaporação
A expansão térmica dos gases (como teoria física) sofreu várias mudanças. Os cientistas tentaram chegar ao fundo dos processos pelos quais o vapor é produzido. Aqui, novamente, o conhecido físico D alton se destacou. Ele levantou a hipótese de que qualquer espaço está saturado com vapor de gás, independentemente de estar presente neste reservatório(sala) qualquer outro gás ou vapor. Portanto, pode-se concluir que o líquido não evaporará simplesmente por entrar em contato com o ar atmosférico.
A pressão da coluna de ar na superfície do líquido aumenta o espaço entre os átomos, separando-os e evaporando, ou seja, contribui para a formação de vapor. Mas a gravidade continua a agir sobre as moléculas de vapor, então os cientistas calcularam que a pressão atmosférica não tem efeito sobre a evaporação dos líquidos.
Expansão de fluidos
A expansão térmica dos líquidos foi investigada em paralelo com a expansão dos gases. Os mesmos cientistas estavam envolvidos em pesquisas científicas. Para isso, usaram termômetros, aerômetros, vasos comunicantes e outros instrumentos.
Todos os experimentos juntos e cada um refutou separadamente a teoria de D alton de que líquidos homogêneos se expandem em proporção ao quadrado da temperatura à qual são aquecidos. Claro que quanto maior a temperatura, maior o volume do líquido, mas não havia relação direta entre ele. Sim, e a taxa de expansão de todos os líquidos foi diferente.
A expansão térmica da água, por exemplo, começa em zero graus Celsius e continua à medida que a temperatura cai. Anteriormente, tais resultados de experimentos estavam associados ao fato de que não é a própria água que se expande, mas o recipiente em que está localizado se estreita. Mas algum tempo depois, o físico Deluca chegou à conclusão de que a causa deveria ser buscada no próprio líquido. Ele decidiu encontrar a temperatura de sua maior densidade. No entanto, ele não conseguiu devido à negligênciaalguns detalhes. Rumforth, que estudou esse fenômeno, descobriu que a densidade máxima da água é observada na faixa de 4 a 5 graus Celsius.
Expansão térmica dos corpos
Em sólidos, o principal mecanismo de expansão é uma mudança na amplitude das vibrações da rede cristalina. Em palavras simples, os átomos que compõem o material e estão rigidamente ligados uns aos outros começam a “tremer”.
A lei da expansão térmica dos corpos é formulada da seguinte forma: qualquer corpo com tamanho linear L em processo de aquecimento por dT (delta T é a diferença entre a temperatura inicial e a temperatura final), expande-se por dL (delta L é a derivada do coeficiente de expansão térmica linear pelo comprimento do objeto e diferença de temperatura). Esta é a versão mais simples desta lei, que por padrão leva em conta que o corpo se expande em todas as direções ao mesmo tempo. Mas para o trabalho prático, cálculos muito mais complicados são usados, pois na realidade os materiais se comportam de maneira diferente daqueles modelados por físicos e matemáticos.
Expansão térmica do trilho
Engenheiros físicos estão sempre envolvidos na colocação dos trilhos, pois eles podem calcular com precisão a distância entre as juntas dos trilhos para que os trilhos não se deformem quando aquecidos ou resfriados.
Como mencionado acima, a expansão linear térmica é aplicável a todos os sólidos. E o trilho não é exceção. Mas há um detalhe. Mudança linearocorre livremente se o corpo não for afetado pela força de atrito. Os trilhos são fixados rigidamente aos dormentes e soldados aos trilhos adjacentes, de modo que a lei que descreve a mudança de comprimento leva em consideração a superação de obstáculos na forma de resistências lineares e de topo.
Se um trilho não pode mudar seu comprimento, então com uma mudança na temperatura, o estresse térmico aumenta nele, o que pode esticá-lo e comprimi-lo. Este fenômeno é descrito pela Lei de Hooke.
