Grade 11
  1. Mecânica  1.1. dinâmicas  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas e três dimensões  1.1.3. Deslocamento e Distância  1.1.4. Velocidade e Rapidez  1.1.5. Aceleração e desaceleração  1.1.6. Análise gráfica do movimento  1.1.7. Equações do movimento (derivações avançadas)  1.1.8. Queda livre e velocidade terminal  1.1.9. Movimento de projéteis  1.1.10. Velocidade relativa em uma e duas dimensões  1.1.11. Movimento de um carro em um plano inclinado  1.2. Dinâmica  1.2.1. As leis do movimento de Newton e suas aplicações  1.2.2. Inércia e a primeira lei de Newton  1.2.3. Força e tipos de força  1.2.4. Atrito estático e cinético  1.2.5. Movimento circular e aceleração centrípeta  1.2.6. Movimento circular não uniforme  1.2.7. Bancagem de estradas e curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservação do momento em uma e duas dimensões  1.2.10. Aplicações da Terceira Lei de Newton  1.3. Work, Energy and Power  1.3.1. Trabalho realizado por uma força constante e variável  1.3.2. Teorema trabalho-energia  1.3.3. Energia cinética e potencial  1.3.4. Energia potencial gravitacional e elástica  1.3.5. Conservação da energia mecânica  1.3.6. Poder e potência instantânea  1.3.7. Eficiência das máquinas  1.3.8. Trabalho realizado por forças conservativas e não conservativas  1.4. Movimento rotacional  1.4.1. Torque e aceleração angular  1.4.2. Equilíbrio rotacional  1.4.3. Momento de inércia e suas aplicações  1.4.4. Momento angular e sua conservação  1.4.5. Energia cinética de movimento de rotação e rotação  1.4.6. Teorema dos Eixos Paralelos e Perpendiculares  1.4.7. Dinâmica do movimento rotacional
  2. Gravitational force  2.1. Gravitação universal  2.1.1. Lei da gravitação universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional e potencial  2.1.3. Mudança na aceleração devido à gravidade  2.1.4. Leis do movimento planetário de Kepler  2.1.5. Mecânica orbital e satélites  2.1.6. Velocidade de escape e velocidade orbital  2.1.7. Ausência de peso e queda livre  2.1.8. Energia potencial gravitacional e energia em órbitas  2.1.9. Buracos negros e lente gravitacional
  3. Propriedades da matéria  3.1. Mecânica dos fluidos  3.1.1. Densidade e pressão em líquidos  3.1.2. A teoria de Pascal e aplicações  3.1.3. O Princípio de Arquimedes e a flutuação  3.1.4. A equação de Bernoulli e aplicações  3.1.5. Equação de continuidade e o efeito Venturi  3.1.6. Tensão superficial e capilaridade  3.1.7. Viscosidade e Lei de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds e turbulência  3.2. Elasticidade e deformação  3.2.1. Lei de Hooke e a relação tensão-deformação  3.2.2. Módulo de elasticidade e aplicações  3.2.3. Deformação e limite de escoamento de sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor e temperatura  4.1.1. Propriedades termométricas e escala de temperatura  4.1.2. Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases  4.1.3. Sistema de transferência de calor  4.1.4. Capacidade calorífica específica e calorimetria  4.1.5. Calor latente e mudança de fase  4.2. Kinetic theory of gases  4.2.1. Modelo molecular dos gases  4.2.2. Explicação cinética da temperatura  4.2.3. Equação do Gás Ideal e Desvios  4.2.4. Caminho livre médio e distribuição de Maxwell-Boltzmann  4.3. Leis da Termodinâmica  4.3.1. Lei Zero e Equilíbrio Térmico  4.3.2. Primeira Lei e Energia Interna  4.3.3. A Segunda Lei e Entropia  4.3.4. Ciclo de Carnot e motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores e Bombas de Calor
  5. Ondas e oscilações  5.1. Movimento Harmônico Simples  5.1.1. Equações do MHS  5.1.2. Energia no MHS  5.1.3. Oscilações amortecidas e forçadas  5.1.4. Ressonância e aplicações  5.1.5. Pêndulo e sistema massa-mola  5.2. Movimento ondulatório  5.2.1. Tipos de ondas mecânicas  5.2.2. Movimento das ondas e transporte de energia  5.2.3. Princípio da Superposição e Ondas Estacionárias  5.2.4. Reflexão, Refração e Difração  5.2.5. Efeito Doppler em som e luz  5.2.6. Pulsos e interferência
  6. Eletricidade e Magnetismo  6.1. Eletrostática  6.1.1. Carga elétrica e conservação  6.1.2. A lei de Coulomb e suas aplicações  6.1.3. Campo elétrico e fluxo elétrico  6.1.4. Potencial elétrico e energia potencial  6.1.5. Capacitance and Energy Stored in a Capacitor  6.2. Eletricidade Atual  6.2.1. Lei de Ohm e resistência elétrica  6.2.2. Resistência e dependência de temperatura  6.2.3. Leis de Kirchhoff e Análise de Circuitos  6.2.4. Potência elétrica e eficiência  6.2.5. Combinação de resistores  6.3. Magnetismo e Eletromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos e suas fontes  6.3.2. Força magnética em cargas em movimento  6.3.3. Indução eletromagnética  6.3.4. Leis de Faraday e Lenz  6.3.5. Indutância e Transformador  6.3.6. Corrente alternada e suas aplicações
  7. Óptica  7.1. Reflexão e Refração  7.1.1. leis da reflexão e refração  7.1.2. Espelhos e lentes  7.1.3. Reflexão interna total e fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferência e Difração  7.2.2. Experimento da dupla fenda de Young  7.2.3. Polarização da luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efeito fotoelétrico e a teoria de Einstein  8.1.2. Dualidade onda-partícula  8.1.3. Princípio da Incerteza de Heisenberg  8.1.4. Compton Effect  8.2. Física Atômica e Nuclear  8.2.1. Modelo atômico e níveis de energia  8.2.2. Decaimento radioativo e meia-vida  8.2.3. Fissão Nuclear e Fusão
  9. Eletrônica e Comunicação  9.1. Semicondutores  9.1.1. junção pn e diodo  9.1.2. Transistores e Portas Lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados e Aplicações  9.2. Sistemas de Comunicação  9.2.1. Noções básicas de Comunicação Analógica e Digital  9.2.2. Comunicação Sem Fio e Óptica  9.2.3. Modulação e Demodulação

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Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases


Na física térmica, o conceito fundamental que exploramos é como as substâncias mudam quando o calor é adicionado. Isso geralmente envolve não apenas uma mudança em sua energia interna, mas também uma mudança em suas dimensões físicas. Esse fenômeno é conhecido como expansão térmica. À medida que a temperatura de um objeto aumenta, suas partículas se movem mais rapidamente e ocupam mais espaço, fazendo com que a substância se expanda. Isso é observado universalmente em sólidos, líquidos e gases. Cada estado da matéria reage de maneira diferente às mudanças de temperatura e se expande em diferentes extensões.

Expansão térmica de sólidos

Os sólidos, por natureza, têm forma e volume definidos devido às forças relativamente fortes entre seus átomos ou moléculas. No entanto, os sólidos também sofrem expansão térmica. Quando aquecidos, os átomos em um sólido vibram mais rapidamente, aumentando a distância entre eles. Essa expansão geralmente é linear, volumétrica ou relacionada à área.

Expansão linear

A expansão linear refere-se ao aumento no comprimento de um objeto sólido quando ele é aquecido. A mudança de comprimento é proporcional ao comprimento original e à mudança de temperatura. A fórmula para expansão linear é expressa como:

ΔL = α × L₀ × ΔT

Onde:

  • ΔL é a mudança de comprimento,
  • α é o coeficiente de expansão linear (específico para o material),
  • L₀ é o comprimento original,
  • ΔT é a mudança de temperatura.

Por exemplo, considere uma barra de metal de 1 m de comprimento a uma temperatura inicial de 20°C. Se o coeficiente de expansão linear for 12 × 10-6 /°C e a temperatura for aumentada para 100°C, a expansão no comprimento pode ser calculada como:

ΔL = 12 × 10-6 /°C × 1 m × (100°C - 20°C) = 0.00096 m

A barra se expande para 0.96 mm.

Exemplo visual

Imagine isso Representa uma barra sólida. Quando aquecida, a barra pode expandir, indicando aumento no comprimento.

Expansão térmica de líquidos

Os líquidos não têm forma definida, mas têm volume definido. Eles também se expandem quando aquecidos. Como os líquidos não têm forma definida, discutimos principalmente a expansão volumétrica. A fórmula para a expansão volumétrica de um líquido é dada como:

ΔV = β × V₀ × ΔT

Onde:

  • ΔV é a mudança de volume,
  • β é o coeficiente de expansão volumétrica (específico para um líquido),
  • V₀ é o volume original,
  • ΔT é a mudança de temperatura.

Por exemplo, se você tiver um recipiente com 2 litros de água a 25°C e o coeficiente de expansão volumétrica para água for cerca de 210 × 10-6 /°C. Quando a água é aquecida a 75°C, a mudança de volume é calculada como:

ΔV = 210 × 10-6 /°C × 2 L × (75°C - 25°C) = 0.021 L

O volume aumenta em 21 ml.

Exemplo visual

Imagine isso Representa um recipiente cheio de líquido. Após o aquecimento, ele pode expandir, indicando um aumento na quantidade.

Expansão térmica de gases

Os gases são bastante diferentes de sólidos e líquidos em termos de expansão. Eles se expandem muito mais do que sólidos e líquidos quando aquecidos. Isso ocorre porque as forças entre as partículas em um gás são extremamente fracas em comparação com os dois últimos estados da matéria. O comportamento dos gases sob condições térmicas geralmente é descrito usando a lei dos gases ideais e seus princípios relacionados, como a lei de Charles, que afirma que, a pressão constante, o volume de um gás é diretamente proporcional à sua temperatura (medida em Kelvin).

Para descrever a expansão volumétrica dos gases a pressão constante, usamos:

V₁/T₁ = V₂/T₂

Onde:

  • V₁ e V₂ são os volumes inicial e final, respectivamente,
  • T₁ e T₂ são as temperaturas inicial e final em Kelvin, respectivamente.

Considere um exemplo de gás em um balão cujo volume inicial é de 1,5 litros a 300 K. Se a temperatura for aumentada para 400 K sem alterar a pressão, o novo volume pode ser calculado como:

V₂ = V₁ × (T₂/T₁) = 1.5 L × (400K / 300K) = 2.0 L

O volume do gás aumenta para 2,0 litros.

Exemplo visual

Imagine isso Representa um balão cheio de gás. À medida que ele aquece, pode expandir, o que indica uma quantidade maior.

Implicações práticas da expansão térmica

Entender a expansão térmica é importante na vida cotidiana e em muitas aplicações tecnológicas. Engenheiros e designers devem considerá-la ao construir tudo, desde pontes até termômetros, devido ao impacto potencial das mudanças térmicas. Exemplos incluem:

  • Pontes e ferrovias: Juntas de expansão são incorporadas na construção de pontes e trilhos de trem para levar em consideração a expansão e contração do metal devido às mudanças de temperatura.
  • Termômetro: A maioria dos termômetros líquidos funciona com o princípio da expansão volumétrica do líquido dentro do termômetro.
  • Tiras bimetálicas: Elas são usadas em muitos dispositivos, como termostatos. Elas consistem em dois metais diferentes unidos, que se expandem a taxas diferentes quando aquecidos. Essa curvatura pode abrir ou fechar um circuito. Nota de visualização: Imagine duas tiras unidas, onde a tira vermelha (coeficiente de expansão maior) se curva mais quando aquecida, fazendo a tira se enrolar.

Casos especiais e considerações

A expansão térmica tem alguns efeitos peculiares, como quando a água se aproxima de seu ponto de congelamento. Ao contrário da maioria das substâncias, a água se expande quando congela, razão pela qual o gelo flutua na água. Essa expansão incomum é importante para a vida aquática em climas frios, pois mantém a água embaixo sem congelar.

Com gases, desvios do comportamento ideal ocorrem em altas pressões e baixas temperaturas. Gases reais nem sempre obedecem à lei dos gases ideais devido às interações entre partículas de gás e ao volume que ocupam, que se torna mais importante nessas condições.

Além disso, alguns materiais têm coeficientes de expansão negativos em certas faixas de temperatura, o que significa que se contraem quando aquecidos. Engenheiros e cientistas precisam estar cientes dessas propriedades únicas para evitar falhas estruturais ou mecânicas graves.

Aplicações e impacto mais amplo

Os princípios da expansão térmica se estendem além das aplicações terrestres. Eles são importantes na tecnologia espacial, como satélites e a Estação Espacial Internacional, que experimentam flutuações significativas de temperatura. Os materiais usados nesses ambientes devem ser cuidadosamente selecionados para suportar essas condições sem degradação ou falha.

Na indústria eletrônica, a expansão térmica é uma consideração importante devido à miniaturização de componentes. A expansão e contração dos materiais eletrônicos podem criar tensões e causar falhas em circuitos e microchips, o que requer um design preciso e a seleção de materiais.

Conclusão

A expansão térmica é um fenômeno fascinante e complexo que tem implicações abrangentes em uma variedade de campos. Desde usos cotidianos, como termômetros de cozinha, até componentes essenciais de infraestrutura e aplicações científicas avançadas, é vital entender como os diferentes estados da matéria reagem às mudanças de temperatura. Esse conhecimento não apenas nos ajuda a construir sistemas mais seguros e eficientes, mas também se conecta com nossa profunda curiosidade científica sobre o mundo natural.


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Expansão térmica de sólidos, líquidos e gases

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