Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Expansão térmica


A expansão térmica é um conceito fundamental no campo da termodinâmica que descreve como o tamanho ou volume de um objeto muda quando exposto a alterações de temperatura. Esse fenômeno é importante para entender como uma substância se comporta quando é aquecida ou resfriada. Quando a temperatura de uma substância aumenta, suas partículas se movem mais e, portanto, a substância geralmente se expande. Inversamente, quando a temperatura é reduzida, as partículas desaceleram e a substância se contrai.

Noções básicas de expansão térmica

Em nível atômico e molecular, a matéria é constituída por partículas que estão constantemente em movimento. Essas partículas vibram e colidem entre si. A temperatura é essencialmente uma medida da energia cinética média dessas partículas. Quando a temperatura de uma substância aumenta, a energia cinética de suas partículas também aumenta. Essa velocidade aumentada faz com que as partículas precisem de mais espaço, resultando na expansão da substância. Inversamente, quando a temperatura é reduzida, o movimento das partículas diminui e a substância se contrai.

Expansão linear

A expansão linear refere-se à mudança numa dimensão (comprimento) de um objeto devido a uma alteração de temperatura. Ao discutir expansão linear, engenheiros e cientistas frequentemente usam o coeficiente de expansão linear, representado pelo símbolo α. Este coeficiente é uma constante específica do material que indica quanto um material se expande por aumento de grau de temperatura.

A equação que governa a expansão linear é:

ΔL = αL₀ΔT
  • ΔL é a mudança no comprimento.
  • L₀ é o comprimento original do material.
  • ΔT é a mudança na temperatura.
  • α é o coeficiente de expansão linear.

Por exemplo, considere uma vara de metal com comprimento original de 2 m a 20 °C. Se o coeficiente de expansão linear do material da vara for 12 x 10^-6 / °C e a temperatura for aumentada para 100 °C, a mudança no seu comprimento pode ser calculada como:

ΔL = αL₀ΔT = (12 x 10^-6 / °C) * 2 m * (100°C - 20°C) = 0.00192 m

Portanto, a vara se expandirá em 0.00192 m (ou 1.92 mm) com o aumento na temperatura.

Expansão de área

A expansão de área considera como a área de superfície de um objeto bidimensional muda com a temperatura. Esse tipo de expansão é importante em contextos onde objetos planos, como folhas de metal e placas finas, são utilizados.

A expansão de campo pode ser descrita pela fórmula:

ΔA = βA₀ΔT
  • ΔA é a mudança na área.
  • A₀ é a área fundamental.
  • ΔT é a mudança na temperatura.
  • β é o coeficiente de expansão de campo, que é aproximadamente igual a 2α para a maioria dos materiais.

Suponha que a área de uma placa de metal a 25°C seja 1 metro quadrado e que o coeficiente de expansão linear para o material seja 10 x 10^-6 / °C. Se a temperatura mudar para 75°C, a expansão na área pode ser calculada como:

β = 2α = 2 * (10 x 10^-6 / °C) = 20 x 10^-6 / °C ΔA = βA₀ΔT = (20 x 10^-6) * 1 m² * (75°C - 25°C) = 0.001 m²

Esta área expande-se para 0.001 metros quadrados (ou 1.000 metros quadrados) à medida que a temperatura aumenta.

Expansão volumétrica

A expansão de volume aborda as mudanças no volume de um objeto com mudanças de temperatura e é importante em aplicações envolvendo líquidos ou sólidos com proporções tridimensionais significativas. A fórmula de expansão de volume é:

ΔV = γV₀ΔT
  • ΔV é a mudança no volume.
  • V₀ é o volume original.
  • ΔT é a mudança na temperatura.
  • γ é o coeficiente de expansão de volume, que é cerca de 3α para a maioria dos materiais.

Considere um jarro lacrado cheio com 3 litros de água a 20°C. Se a água for aquecida a 80°C e o coeficiente de expansão de volume da água for 210 x 10^-6 / °C, a mudança no volume pode ser determinada por:

ΔV = γV₀ΔT = (210 x 10^-6 / °C) * 3 L * (80°C - 20°C) = 0.0378 L

Assim, a água se expande em aproximadamente 0.0378 litros (ou 37.8 mL) à medida que a temperatura aumenta.

Visualização da expansão térmica

Visualizar a expansão térmica ajuda a entender mais eficazmente esse conceito. Imagine um anel de metal espesso. Quando o anel é aquecido uniformemente, cada parte do anel se expande, de modo que o anel se torna maior no geral. O exemplo a seguir mostra uma visão simplificada de um círculo se expandindo quando aquecido.

tamanho original Tamanho ampliado

Neste diagrama, o círculo à esquerda mostra a forma original, e o círculo à direita mostra a forma expandida após aquecimento. A visualização mostra claramente como as dimensões aumentam proporcionalmente.

Exemplo de texto: trilhos de trem

Um exemplo prático de expansão térmica é o projeto de trilhos ferroviários. Os trilhos metálicos são geralmente feitos de aço, que se expandem e contraem com alterações sazonais de temperatura. Para contabilizar a expansão térmica, pequenas folgas são deixadas entre as seções dos trilhos para que não se deformem ou torçam. Vamos entender isso por meio de um exemplo.

Assuma que cada segmento de trilho tenha um comprimento inicial de 12 m a 15°C. Dado um coeficiente de expansão linear de 11 x 10^-6 / °C para o aço, se a temperatura for aumentada para 35°C, o aumento no comprimento será:

ΔL = αL₀ΔT = (11 x 10^-6 / °C) * 12 m * (35°C - 15°C) = 0.00264 m

Cada seção torna-se 0.00264 m (ou 2.64 mm) mais longa à medida que a temperatura aumenta. Os projetistas devem considerar essa expansão e fornecer lacunas adequadas entre os trilhos para evitar danos estruturais.

Aplicações e implicações

A expansão térmica, embora muitas vezes sutil, tem muitas aplicações e consequências na engenharia. As pontes requerem juntas de expansão para evitar a falha da integridade estrutural à medida que os materiais expandem e contraem. Os edifícios podem mover-se sutilmente com mudanças de temperatura, exigindo planejamento cuidadoso no projeto arquitetônico para acomodar esse movimento.

Outra aplicação importante da expansão térmica é o termômetro a líquido em vidro. O líquido dentro (geralmente mercúrio ou álcool colorido) se expande e contrai com as mudanças de temperatura externa, movendo-se para cima ou para baixo na escala do termômetro para indicar a temperatura.

Compreender a expansão térmica também é essencial na eletrônica. Placas de circuito esquentam durante a operação, por isso é importante considerar a expansão térmica para evitar rompimento ou problemas de conexão.

Conclusão

Em suma, a expansão térmica é um conceito físico importante que descreve como os objetos reagem a alterações de temperatura. Manifesta-se por meio da expansão linear, de área e de volume. Esses princípios são importantes em uma variedade de aplicações do mundo real, desde ferrovias até engenharia aeroespacial. Entender a expansão térmica ajuda os engenheiros a projetar estruturas que permaneçam seguras e funcionais apesar das mudanças de temperatura ambiental.


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