Enrolar metais com calor

Um projeto científico temperamental da Science Buddies

Conceitos chaveFísicaTemperaturaExpansão térmicaMetais

Introdução Você gosta de embrulhar presentes para as pessoas? Talvez você até tenha enrolado uma fita com uma tesoura (ou tenha visto outra pessoa fazer isso). Você já se perguntou por que a fita se enrola quando você passa uma lâmina de tesoura em um dos lados dela? A resposta é que quando você aplica pressão na fita com a lâmina da tesoura, a camada externa da fita se estica e se expande. Isso torna a camada externa da fita mais longa do que a camada interna pressionada contra a lâmina. Como resultado, a fita se enrola para compensar os diferentes comprimentos de cada uma de suas camadas. Nesta atividade você também fará os materiais enrolarem. Para esses materiais, porém, você não precisará de tesouras: em vez disso, usará calor!

Fundo Você provavelmente sabe ou já viu que os materiais são capazes de mudar de forma ou volume quando são aquecidos ou resfriados. Isto é verdade para sólidos, líquidos e gases, todos compostos de átomos e moléculas. Uma vez expostas ao calor, essas moléculas começam a vibrar e a se mover mais rapidamente. Isso faz com que as moléculas se espalhem e ocupem mais espaço. Como resultado, um material se expande ligeiramente quando fica quente. Por outro lado, quando um material está frio, as moléculas se movem menos, o que faz com que ocupem menos espaço. Assim, os materiais encolhem quando ficam frios. Embora todos os materiais se expandam quando aquecidos, nem todos se expandem no mesmo grau. O quanto um material se expande quando aquecido é descrito pelo seu coeficiente de expansão térmica. Por exemplo, o alumínio se expande de 21 a 24 micrômetros por metro se sua temperatura aumentar em 1 grau Celsius.

O que acontece quando um objeto é composto por mais de um material? Ambos se expandirão de maneira diferente quando aquecidos! Na verdade, existem materiais especiais chamados bimetais que utilizam suas diferentes propriedades de expansão térmica. Um bimetal é um objeto que consiste em duas camadas separadas de metais diferentes que são imprensadas juntas. Quando um bimetal é aquecido, um dos metais se expandirá mais que o outro. Isso resulta na curvatura (ou ondulação) bimetálica em uma direção - assim como a fita para o embrulho de presente. Devido a esse efeito, os bimetais são frequentemente usados ​​para indicar mudanças de temperatura, como em termômetros com ponteiro (como aqueles usados ​​em fornos ou refrigeradores). Dentro desses termômetros, uma bobina bimetálica é presa a um ponteiro. Quando a temperatura muda, o ponteiro se move dependendo da quantidade de deformação da bobina bimetálica.

Nesta atividade você verá por si mesmo como diferentes propriedades de expansão térmica podem fazer um objeto ondular. Pronto para trazer o calor?

Materiais

Preparação

Procedimento

Observações e Resultados Você viu uma de suas tiras enrolada acima da chama da vela? Você devia ter! A tira toda de alumínio e a tira toda de papel não devem ter mudado quando você as segurou acima da chama. Isso ocorre porque as duas camadas da tira são feitas do mesmo material. Se a tira esquentar, o que você deve ter notado ao tocá-la, ambas as camadas se expandem na mesma proporção. Porém, se a tira consistir em dois materiais diferentes, como aquele que você fez de papel e alumínio, algo diferente acontecerá.

Ao segurar a tira de papel/alumínio acima da chama, você provavelmente observou que ela imediatamente começou a dobrar ou enrolar em uma direção. Ele se curva para cima quando a camada de alumínio fica voltada para a vela e para baixo quando a camada de alumínio fica voltada para o teto. Isso ocorre porque o alumínio e a camada de papel aquecem quando estão acima da chama. O alumínio se expande mais que o papel devido ao seu maior coeficiente de expansão térmica. Como o papel e o alumínio são colados, o alumínio se enrola na tira de papel para compensar os diferentes comprimentos de cada uma de suas camadas - como a fita de embrulho ondulada! Você verá resultados semelhantes com outras tiras que consistem em dois materiais diferentes com coeficientes de expansão térmica diferentes.