Física 19 B Flashcards
(17 cards)
Qual é a relação entre o coeficiente de dilatação superficial (β) e o coeficiente de dilatação linear (α) em uma chapa metálica?
A dilatação superficial refere-se à variação da área de uma chapa quando submetida a uma mudança de temperatura. Inicialmente, a chapa tem uma área A0 a uma temperatura inicial. Ao aumentar a temperatura, a área final A aumenta devido à agitação dos átomos. A dilatação superficial é calculada pela fórmula ΔA = A0 * β * ΔT, onde β é o coeficiente de dilatação superficial, ΔT é a variação de temperatura e ΔA é a variação da área. Importante: β = 2 * α, onde α é o coeficiente de dilatação linear. Cuidado com questões que confundem α e β.
Por que o tamanho do orifício em uma chapa metálica aumenta ao ser aquecida, e como o modelo de “molas” entre átomos explica isso?
Ao aquecer uma chapa metálica com um orifício, inicialmente a 20 °C, sua área aumenta por dilatação superficial (Delta A = A0 * beta * Delta T). O orifício também aumenta de tamanho, e não diminui, pois a dilatação afeta toda a chapa proporcionalmente. O modelo de átomos ligados por “molas” explica: com o aumento da temperatura, a vibração dos átomos aumenta a distância entre eles, expandindo todas as dimensões, incluindo o orifício. Em provas, isso pode ser cobrado em questões objetivas ou discursivas.
Quais são as três condições para soltar um pino de ferro de um anel de alumínio, considerando que o coeficiente de dilatação superficial do alumínio é maior que o do ferro?
Um anel de alumínio com um pino de ferro está preso. O coeficiente de dilatação linear do alumínio (alfa) é maior que o do ferro, e como beta = 2 * alfa, o coeficiente de dilatação superficial do alumínio também é maior. Para soltar o pino, três condições funcionam: 1) Aquecer apenas o anel de alumínio, aumentando o tamanho do orifício; 2) Resfriar apenas o pino de ferro, reduzindo sua área; 3) Aquecer todo o sistema, pois o anel dilata mais que o pino devido ao maior beta, ampliando o orifício mais que a área do pino. Aquecer apenas o pino ou resfriar todo o sistema não solta, pois o pino ficaria mais preso (o anel contrai mais ao resfriar).
Ao aumentar a temperatura de um arame metálico cortado em dois pedaços, com uma distância inicial entre suas extremidades a 20 °C, o que acontece com essa distância: ela aumenta, diminui ou permanece a mesma?
Um arame metálico é cortado em dois pedaços, com uma distância inicial entre suas extremidades a 20 °C. Ao aumentar a temperatura, a distância entre as extremidades aumenta, e não diminui ou permanece a mesma, como muitos alunos pensam. Isso ocorre porque, se considerarmos o arame como um anel antes do corte, o “orifício” (espaço entre as extremidades) se expande com a dilatação, assim como o material. Após o corte, o mesmo princípio aplica-se: a dilatação térmica aumenta todas as dimensões, incluindo a distância entre os pedaços. Em provas, é comum errar ao supor que a distância diminui.
Em uma chapa metálica com dois orifícios de mesmo tamanho, separados por uma distância d a 20 °C, o que acontece com a distância d ao aumentar a temperatura para 40 °C: ela aumenta, diminui ou permanece a mesma?
Uma chapa metálica tem dois orifícios de mesmo tamanho, separados por uma distância d a 20 °C. Ao aumentar a temperatura para 40 °C, a distância d entre os orifícios aumenta, e não diminui ou permanece a mesma. Isso ocorre porque a dilatação térmica expande toda a chapa, incluindo os orifícios e a região entre eles. Pode-se imaginar a distância d como o comprimento de uma barra fictícia entre os orifícios: ao aquecer, a “barra” dilata, aumentando d. Em provas, é comum errar achando que d diminui ou não se altera.
Por que o coeficiente de dilatação térmica da amálgama usada em restaurações dentárias deve ser próximo ao do dente?
Na restauração dentária, uma liga metálica (amálgama) é usada para preencher a cavidade de um dente danificado. Se a pessoa ingere algo quente, como café, a temperatura do dente e da amálgama aumenta, causando dilatação. Se o coeficiente de dilatação da amálgama for muito maior que o do dente, a amálgama dilata mais, podendo rachar o dente. Se ingerir algo frio, como água gelada, ambos contraem, mas se a amálgama contrair mais, pode se soltar. Para evitar esses problemas, o coeficiente de dilatação da amálgama deve ser aproximadamente igual ao do dente, garantindo que dilatem e contraiam de forma semelhante, sem danos ou desprendimento.
Por que um copo de vidro comum racha ao receber café quente, enquanto um copo de vidro Pyrex suporta, considerando a dilatação térmica?
Um copo de vidro comum, ao receber café quente, racha porque a parede interna aquece rapidamente e dilata mais que a externa, que permanece mais fria devido ao vidro ser isolante térmico. Essa diferença de dilatação gera tensões que o vidro comum não suporta, causando rachaduras. O vidro Pyrex, com coeficiente de dilatação térmica muito menor, dilata menos, reduzindo a diferença entre as dilatações interna e externa. Assim, o Pyrex suporta as tensões sem quebrar, sendo ideal para utensílios como travessas e copos sujeitos a mudanças de temperatura.
Qual é a relação entre o coeficiente de dilatação volumétrica (gama) e o coeficiente de dilatação linear (alfa) em um material submetido a aumento de temperatura?
A dilatação volumétrica ocorre quando um objeto, como um cubo, tem seu volume inicial aumentado devido ao aquecimento, passando de uma temperatura inicial para uma final maior. O volume aumenta por dilatação, calculada por ΔV = V0 * gama * ΔT, onde gama é o coeficiente de dilatação volumétrica, específico do material. O coeficiente gama é igual a 3 vezes o coeficiente de dilatação linear (alfa), ou seja, gama = 3 * alfa. Essa relação é frequentemente cobrada em provas, sendo essencial para entender a dilatação volumétrica.
Ao aumentar a temperatura de 0 °C para 20 °C, qual esfera de ferro dilata mais volumetricamente: uma esfera oca ou uma esfera maciça, ambas com o mesmo volume inicial e material?
Duas esferas de ferro, uma oca e uma maciça, com o mesmo volume inicial (ex.: 5 L) e material, são aquecidas de 0 °C para 20 °C. A dilatação volumétrica (ΔV = V0 * gama * ΔT) é idêntica para ambas, pois o volume inicial, o coeficiente de dilatação volumétrica (gama, igual para o mesmo material) e a variação de temperatura são iguais. Portanto, ambas dilatam o mesmo, independentemente de serem oca ou maciça. Em provas, é comum errar achando que a maciça dilata mais por ter “mais átomos”, mas o percentual de aumento de volume (ex.: 1%) é o mesmo para ambas.
A dilatação volumétrica do cubo ocorre pelo aumento de temperatura de 10 °C para 40 °C, expandindo seu volume. Usa-se o coeficiente de dilatação volumétrica (gama), que é três vezes o coeficiente linear (alfa), pois a expansão ocorre em três dimensões. A dilatação é proporcional ao volume inicial, a gama e à variação de temperatura, resultando em um aumento do volume do cubo.
Por que os líquidos geralmente apresentam maior dilatação volumétrica em comparação com os sólidos, conforme indicado por uma tabela de coeficientes de dilatação?
A dilatação volumétrica dos líquidos segue a mesma fórmula dos sólidos (ΔV = V0 * gama * ΔT), mas os líquidos têm coeficientes de dilatação volumétrica (gama) significativamente maiores. Por exemplo, o mercúrio (180 × 10⁻⁶ °C⁻¹), glicerina (490 × 10⁻⁶ °C⁻¹) e benzeno (1060 × 10⁻⁶ °C⁻¹) superam sólidos como ouro (45 × 10⁻⁶ °C⁻¹) e alumínio (66 × 10⁻⁶ °C⁻¹). Isso indica que os líquidos dilatam mais que os sólidos para a mesma variação de temperatura, devido à maior mobilidade de suas moléculas, um conceito frequentemente explorado em provas.
Por que a dilatação real de um líquido, como o mercúrio em um recipiente de vidro, é maior que a dilatação aparente observada (volume derramado) quando o sistema é aquecido?
Um recipiente de vidro com volume inicial de 1000 mL, cheio de mercúrio a 20 °C, é aquecido para 40 °C, e 100 mL de mercúrio derramam. O mercúrio (líquido) dilata mais que o vidro (sólido) devido ao maior coeficiente de dilatação volumétrica. A dilatação aparente (volume derramado, 100 mL) é menor que a dilatação real do mercúrio, pois o recipiente também dilata, aumentando seu volume. A dilatação real do mercúrio é a soma da dilatação aparente e da dilatação do recipiente. Em provas, é comum confundir a dilatação aparente com a real, ignorando a expansão do recipiente.
Um recipiente de vidro com volume inicial de 500 cm³, cheio de um líquido a 0 °C, é aquecido a 200 °C, resultando em 5 cm³ de líquido extravasado (dilatação aparente). O coeficiente de dilatação linear do vidro é 9 × 10⁻⁶ °C⁻¹, logo o coeficiente de dilatação volumétrica do vidro é 3 * 9 × 10⁻⁶ = 27 × 10⁻⁶ °C⁻¹. A dilatação real do líquido é a soma da dilatação aparente (5 cm³) e da dilatação do recipiente, que também expande com o aquecimento. Como o líquido dilata mais que o vidro, o volume extravasado é menor que a dilatação real do líquido, um conceito comum em provas discursivas ou objetivas.
Por que encher completamente um tanque de gasolina a 20 °C pode causar derramamento se a temperatura subir para 40 °C, danificando a pintura do carro ou causando risco de incêndio?
Um tanque de gasolina, cheio a 20 °C, é aquecido a 40 °C, fazendo tanto o tanque (sólido) quanto a gasolina (líquido) dilatarem. Como os líquidos têm coeficiente de dilatação volumétrica maior que os sólidos, a gasolina dilata mais que o tanque. Se o tanque estiver completamente cheio, o excesso de volume da gasolina extravasa, podendo derramar, danificar a pintura do carro ou, em casos extremos, causar incêndio devido à gasolina no chão. Em situações reais, evitar encher o tanque ao máximo em dias quentes previne esse problema, um cenário comum abordado em provas.
Por que o volume da água diminui de 0 °C a 4 °C, e como isso impacta sua densidade?
Entre 0 °C e 4 °C, a água exibe dilatação anômala: o volume diminui com o aumento da temperatura devido às ligações de hidrogênio, atingindo o mínimo a 4 °C. Acima disso, o volume aumenta normalmente. Para 1000 g de água, o volume é menor a 4 °C que a 0 °C, mas a massa é constante. Assim, a densidade (massa/volume) é máxima a 4 °C. Provas cobram gráficos de volume versus temperatura e o conceito de volume mínimo a 4 °C, afetando a densidade.
Por que a densidade da água é máxima a 4 °C, e como isso impacta a sobrevivência de peixes em lagos congelados?
A 4 °C, o volume da água é mínimo devido à dilatação anômala, enquanto a massa permanece constante. Como densidade é massa dividida por volume, a densidade da água é máxima a 4 °C. Em gráficos de densidade versus temperatura, a densidade aumenta de 0 °C a 4 °C, atingindo o pico, e depois diminui. Na vida real, isso é crucial: em lagos congelados, a água a 4 °C, mais densa, fica no fundo, enquanto a superfície congela. Isso impede o congelamento total, permitindo que peixes sobrevivam nas camadas inferiores mais quentes. Provas cobram esse conceito e sua aplicação ecológica.
Por que os lagos congelam apenas na superfície, permitindo a sobrevivência de peixes, enquanto em uma forma de gelo na geladeira a água congela completamente?
Em lagos, a água a 6 °C perde calor, ficando mais densa até 4 °C, quando a densidade é máxima, e afunda. Entre 4 °C e 0 °C, devido à dilatação anômala, a água menos densa (a 3 °C, 2 °C, até 0 °C) sobe e congela na superfície, formando gelo, que é isolante térmico. Isso mantém a água no fundo a 4 °C, permitindo a sobrevivência de peixes. Na geladeira, a água em formas perde calor por todos os lados, congelando de fora para dentro, sem manter camadas líquidas a 4 °C, pois o ambiente é uniformemente frio. A densidade máxima a 4 °C é crucial para a vida nos lagos, cobrada em provas com gráficos ou explicações.
