Grade 10
  1. Mecânica  1.1. Dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração  1.1.6. Representação gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento  1.1.8. Queda livre e aceleração devido à gravidade  1.1.9. Movimento projetil  1.1.10. Velocidade relativa  1.2. Dinâmica  1.2.1. Leis do Movimento de Newton  1.2.2. Inércia e massa  1.2.3. Força e seus tipos  1.2.4. força de ação e reação  1.2.5. Fricção e seus efeitos  1.2.6. Coeficiente de atrito  1.2.7. Movimento circular  1.2.8. Força centrípeta e aceleração centrípeta  1.2.9. Momento e Impulso  1.2.10. Conservação do momento  1.2.11. A terceira lei de Newton e aplicações  1.3. Trabalho, Energia e Potência  1.3.1. Trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema do trabalho–energia  1.3.3. Energia cinética  1.3.4. Energia potencial  1.3.5. Energia Mecânica  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.3.8. Renewable and non-renewable energy sources  1.4. Força gravitacional  1.4.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional e intensidade do campo  1.4.3. Aceleração da gravidade em diferentes planetas  1.4.4. As leis do movimento planetário de Kepler  1.4.5. Órbitas e satélites  1.4.6. Peso e peso aparente  1.4.7. Energia potencial gravitacional
  2. Properties of matter  2.1. Estados da Matéria  2.1.1. Sólido, líquido e gás  2.1.2. Molecular structure of matter  2.1.3. Forças intermoleculares  2.1.4. Plasma e Condensado de Bose–Einstein  2.2. Pressão  2.2.1. Definição de Pressão  2.2.2. Pressão em líquidos  2.2.3. Pressão atmosférica  2.2.4. Princípio de Pascal  2.2.5. Princípio de Arquimedes e Flutuabilidade  2.2.6. Tensão superficial e capilaridade  2.3. Elasticidade  2.3.1. Lei de Hooke  2.3.2. Tensão e deformação  2.3.3. Limite de Elasticidade e Módulo de Elasticidade  2.3.4. Aplicações da Elasticidade
  3. Física térmica  3.1. calor e temperatura  3.1.1. Diferença Entre Calor e Temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Expansão térmica  3.1.4. Equilíbrio térmico  3.2. Transferência de calor  3.2.1. Condutividade  3.2.2. Convecção  3.2.3. Radiação  3.2.4. Isolamento e suas aplicações  3.3. Propriedades térmicas da matéria  3.3.1. Capacidade térmica específica  3.3.2. Calor latente e mudança de fase  3.3.3. Ponto de Ebulição e Fusão  3.3.4. Motores térmicos e refrigeração  3.4. Laws of Thermodynamics  3.4.1. Lei zero da termodinâmica  3.4.2. Primeira lei da termodinâmica  3.4.3. Segunda lei da termodinâmica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas e óptica  4.1. A natureza e as propriedades das ondas  4.1.1. Tipos de ondas na natureza e propriedades das ondas  4.1.2. Ondas transversais e longitudinais  4.1.3. Parâmetros das ondas  4.1.4. Reflexão e refração de ondas  4.1.5. Superposição e Interferência  4.1.6. Ondas estacionárias e ressonância  4.1.7. Efeito Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características das ondas sonoras  4.2.2. Velocidade do som em diferentes meios  4.2.3. Aplicações das ondas sonoras  4.2.4. Ultrassom e seus usos  4.3. Ondas de Luz e Óptica  4.3.1. Natureza da luz  4.3.2. Reflexão da luz  4.3.3. Leis da reflexão  4.3.4. Espelhos e Formação de Imagens  4.3.5. Refração da luz  4.3.6. Lei de Snell  4.3.7. Lentes e Formação de Imagens  4.3.8. Reflexão interna total e ângulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Optical Instruments  4.4.1. Microscópio  4.4.2. Telescope  4.4.3. Olho humano e defeitos de visão  4.4.4. Câmera e seu princípio de funcionamento
  5. Eletricidade e Magnetismo  5.1. Eletrostática  5.1.1. Electric charge and its properties  5.1.2. Condutores e Isolantes  5.1.3. Lei de Coulomb  5.1.4. Campo elétrico e linhas de campo  5.1.5. Potencial elétrico e diferença de potencial  5.1.6. Capacitores e Capacitância  5.2. Eletricidade Corrente  5.2.1. Corrente elétrica e sua medição  5.2.2. Lei de Ohm  5.2.3. Resistência e resistividade  5.2.4. Circuitos em Série e Paralelos  5.2.5. Energia e potência elétrica  5.2.6. Leis de Kirchhoff  5.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  5.3.1. Campo magnético e linhas de campo  5.3.2. Efeitos magnéticos da corrente elétrica  5.3.3. Indução eletromagnética  5.3.4. Leis de Faraday da indução eletromagnética  5.3.5. Transformadores e Aplicações  5.3.6. Corrente AC e DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estrutura do átomo  6.1.2. Modelo atômico de Bohr  6.1.3. Níveis de Energia dos Elétrons  6.1.4. Raios-X e aplicações  6.2. Radioatividade  6.2.1. Tipos de radiação  6.2.2. Meia-vida e decaimento radioativo  6.2.3. Reações nucleares e aplicações  6.2.4. Fissão e Fusão  6.3. Física quântica  6.3.1. Dualidade onda-partícula  6.3.2. Efeito Fotoelétrico  6.3.3. Quantização de energia  6.3.4. Princípio da incerteza de Heisenberg
  7. Eletrônica e Comunicação  7.1. Semicondutores  7.1.1. Condutores, Isolantes e Semicondutores  7.1.2. Diodos e suas aplicações  7.1.3. Transistores e Portas Lógicas  7.1.4. LEDs e fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicação  7.2.1. Noções básicas de comunicação  7.2.2. Analog and digital signals  7.2.3. Comunicação sem fio e por fibra óptica  7.2.4. Ondas de Rádio e Modulação

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Expansão térmica


A expansão térmica é um conceito fundamental na física que descreve como as substâncias mudam em resposta a alterações de temperatura. É uma ideia importante que nos ajuda a compreender o comportamento das substâncias em diferentes ambientes. Em sua essência, a expansão térmica descreve a tendência de uma substância de mudar de volume em resposta a alterações de temperatura.

O que é expansão térmica?

Quando a temperatura de uma substância aumenta, as partículas que a compõem começam a vibrar mais rapidamente. À medida que essas partículas vibram mais, elas se afastam ligeiramente umas das outras. Esse movimento aumentado faz com que a substância se expanda, ou aumente de tamanho. Esse fenômeno é conhecido como expansão térmica.

Por outro lado, quando a temperatura de uma substância diminui, as partículas se movem menos e ficam mais juntas, fazendo com que a substância contraia ou diminua de tamanho. A expansão térmica pode ocorrer em sólidos, líquidos e gases, mas é mais comumente observada em sólidos, que têm formas e volumes fixos.

Compreendendo a expansão térmica com exemplos

Para entender melhor a expansão térmica, vamos considerar um exemplo simples envolvendo uma barra de metal.

Quando você aquece uma barra de metal, as partículas de metal começam a vibrar mais intensamente. À medida que as partículas vibram, elas se empurram, tornando a barra ligeiramente mais longa. Se você resfriar a mesma barra de metal, as partículas vibram menos e se aproximam, fazendo com que a barra contraia e se torne mais curta.

Aqui está um exemplo básico:

Frio Quente

A linha azul representa a barra de metal fria, e a linha vermelha representa a barra de metal quente após a expansão.

Tipos de expansão térmica

Podemos classificar a expansão térmica em três tipos principais:

  • Expansão linear

    • Aplica-se a materiais que se expandem em uma dimensão, como o alongamento de uma barra de metal. É medida como a mudança no comprimento por grau de alteração de temperatura.

  • Expansão de área

    • Ocorre em materiais que se expandem em duas dimensões, como uma placa de metal que se torna maior em área quando aquecida.

  • Expansão volumétrica

    • Este tipo envolve materiais que se expandem em todas as três dimensões, como um balão que infla quando o ar dentro dele é aquecido.

Fórmula de expansão linear

A mudança no comprimento devido à expansão térmica pode ser calculada usando a fórmula seguinte:

    ∆L = α × L₀ × ∆T

Onde:

  • ΔL é a variação no comprimento
  • α é o coeficiente de expansão linear do material
  • L₀ é o comprimento original
  • ΔT é a mudança de temperatura

Por exemplo, considere uma barra de aço de 1 m de comprimento a 20°C. Se a temperatura for aumentada para 50°C, e sabendo que o coeficiente de expansão linear do aço é de aproximadamente 11 x 10-6 /°C, a mudança no comprimento pode ser calculada da seguinte forma:

    ΔL = 11 x 10-6 /°C × 1 metro × (50°C – 20°C)
    ΔL = 11 x 10-6 /°C × 1 m × 30°C
    ΔL ≈ 0.00033 m ou 0.33 mm

Fórmula de expansão de área

A mudança na área devido à expansão térmica pode ser determinada usando o seguinte:

    ΔA = β × A₀ × ΔT

Onde:

  • ΔA é a variação na área
  • β é o coeficiente de expansão de área
  • A₀ é a área inicial
  • ΔT é a mudança de temperatura

Para materiais isotrópicos (materiais cujas propriedades são as mesmas em todas as direções) o coeficiente de expansão de área é aproximadamente igual a 2α.

Fórmula de expansão volumétrica

A mudança no volume é dada pela fórmula:

    ΔV = γ × V₀ × ΔT

Onde:

  • ΔV é a variação no volume
  • γ é o coeficiente de expansão volumétrica
  • V₀ é o volume original
  • ΔT é a mudança de temperatura

Para materiais isotrópicos, o coeficiente de expansão volumétrica γ é aproximadamente 3α.

Implicações reais da expansão térmica

A expansão térmica tem muitos efeitos práticos no mundo real. Engenheiros e construtores devem levar isso em consideração ao projetar estruturas como pontes, ferrovias e até mesmo máquinas simples. Falha em fazê-lo pode levar a rachaduras ou desalinhamentos em edifícios e infraestruturas.

Por exemplo, considere o caso das ferrovias. Trilhos são feitos de aço, que se expande com o calor. Se a expansão não for levada em conta, isso pode fazer com que os trilhos se dobrem ou distorçam, potencialmente levando a descarrilamentos perigosos. Para evitar isso, engenheiros deixam pequenos espaços entre as seções de trilhos; estes espaços permitem que os trilhos se expandam com segurança sem causar danos.

Outro exemplo: expansão térmica de líquidos

Embora sólidos tenham uma forma definida e só possam se expandir em direções específicas, líquidos se expandem igualmente em todas as direções. Isso ocorre porque os líquidos assumem a forma de seu recipiente. A expansão térmica de líquidos é uma consideração importante em uma variedade de aplicações, incluindo termômetros, motores e sistemas de água quente.

Um exemplo clássico de expansão térmica é o termômetro de mercúrio. Quando o mercúrio dentro do termômetro é aquecido, ele se expande e sobe pelo tubo estreito, fornecendo uma medida visual da temperatura.

Frio Quente

A barra vermelha inferior mostra o nível de mercúrio em uma atmosfera fria, enquanto a barra vermelha superior mostra o nível de mercúrio após o aquecimento.

Expansão térmica no dia a dia

A expansão térmica afeta muitos objetos e processos que encontramos todos os dias:

  • Juntas de expansão em pontes evitam danos permitindo que partes se expandam e contraiam com mudanças de temperatura.
  • Linhas de energia são instaladas frouxas em temperaturas frias para permitir a expansão térmica no calor.
  • Tiras bimetálicas em termostatos se dobram e endireitam com mudanças de temperatura devido às diferentes taxas de expansão dos metais.

Conclusão

O conceito de expansão térmica é importante para entender como os materiais se comportam em diferentes temperaturas. De objetos simples do cotidiano a projetos industriais complexos, a expansão térmica desempenha um papel crítico que pode afetar a segurança, eficiência e durabilidade. Compreendendo este princípio da física, podemos projetar melhor e nos adaptar às restrições ambientais que encontramos em uma ampla gama de aplicações.


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