O que é dilatação térmica linear?

Quando um corpo sofre aumento de temperatura, as moléculas que o constituem recebem energia e ficam agitadas, causando um aumento nas dimensões do objeto. Esse fenômeno é conhecido como dilatação térmica. Analogamente, quando se esfria um corpo, sua energia diminui e a agitação molecular também, causando redução em suas dimensões, o que é conhecido como contração térmica.

A dilatação térmica pode ser classificada de três formas: linear, superficial e volumétrica.

Dilatação térmica linear

Quando a variação de temperatura de um corpo modificar a distância entre dois pontos, ocorre a dilatação térmica linear, que pode ser uma variação no comprimento de uma barra, no raio de uma esfera, na diagonal de um cubo ou de um quadrado, entre outras.

Como exemplo, considere uma barra de ferro de comprimento L₀ com temperatura inicial T_i. Ao aumentar sua temperatura para T_f , o comprimento será aumentado para L. Observe a figura:

Diagrama demonstrando a dilatação térmica linear causada pelo aumento de temperatura

A variação de temperatura (ΔT) é a diferença entre a temperatura final e a inicial:

ΔT = T_f - T_i

A dilatação térmica linear (ΔL) produzida por essa variação de temperatura é a diferença entre o comprimento final L e o comprimento inicial L₀:

Δ L = L - L₀

Essa dilatação sofrida pela barra é proporcional à variação de temperatura e ao comprimento inicial da barra, sendo assim, ela também pode ser calculada com a Lei da Dilatação Térmica Linear pela fórmula:

Δ L = α . L₀ . Δ T

A constante de proporcionalidade α é denominada coeficiente de dilatação térmica linear do material que constitui a barra. Sua unidade de medida é o grau Celsius recíproco, sendo representada por ºC ^-1. Essa grandeza assume valor diferente para cada tipo de material, representando a dilatação térmica linear para cada unidade de comprimento e para cada unidade de variação de temperatura.

Veja na tabela a seguir os valores do coeficiente de dilatação térmica linear de algumas substâncias:

Representação gráfica da dilatação térmica linear

Podemos obter a dilação térmica linear a partir de um gráfico do comprimento em função da temperatura:

Gráfico do comprimento em função da temperatura da dilatação térmica linear 

Podemos relacionar o ângulo φ com a Lei da dilatação térmica linear, uma vez que:

Δ L = α . L₀ . Δ T

e

ΔL = α . L₀
Δ T           

Sendo φ o coeficiente angular da reta que representa a variação do comprimento com a temperatura, ele é dado por:

tg φ = ΔL 
          Δ T

logo:

tg φ = α . L₀

A reta não pode passar pelo ponto 0, uma vez que o comprimento inicial não pode ser igual a zero.

Uma das consequências da dilatação térmica linear pode ser percebida em obras da engenharia, por exemplo, as juntas de dilatação (figura do título) que existem nos trilhos de trem ou nas calçadas. Elas são simplesmente um pequeno espaço vazio deixado em trechos da construção para que a dilatação causada pelas variações de temperatura, como no caso de um incêndio ou até mesmo as variações naturais, não danifique a estrutura das construções. Se essas juntas de dilatação não existissem, qualquer elevação de temperatura poderia causar o entortamento ou a quebra de concreto ou das ferragens.

Por Mariane Mendes
Graduada em Física