Enunciado

Um tubo cilíndrico delgado de secção uniforme, feito de um material de coeficiente de dilatação linear α , contém um líquido de coeficiente de dilatação volumétrica β . À temperatura T 0 , a altura da coluna líquida é h 0 . (a) Qual é a variação Δ h de altura da coluna quando a tempratura sobre de 1 ° C ? (b) Se o tubo é de vidro ( α = 9 × 10 - 6 / ° C ) e o líquido é mercúrio ( β = 1,8 × 10 - 4 / ° C ), mostre que este sistema não constitui um bom termômetro, do ponto de vista prático, calculando Δ h para h 0 = 10   c m .

Passo 1

A qualquer momento, a altura da coluna de líquido depende da área da base do cilindro:

V = A b h

Conforme a temperatura aumenta, tanto o volume V do líquido quanto a área A b da base do cilindro aumentam.

V = V 0 1 + β Δ T

E o coeficiente de dilatação superficial do cilindro é o dobro do coeficiente de dilatação linear, então:

A b = A 0 1 + 2 α Δ T

Se a altura inicial da coluna era h 0 , temos:

V 0 = A 0 h 0

h 0 = V 0 A 0

Passo 2

Conforme a temperatura aumenta, temos:

V = A b h

Substituindo com as fórmulas do passo anterior:

V 0 1 + β Δ T = A 0 h 1 + 2 α Δ T

h = V 0 A 0 1 + β Δ T 1 + 2 α Δ T

E como h 0 = V 0 / A 0 :

h = h 0 1 + β Δ T 1 + 2 α Δ T

Então a variação da altura da coluna é:

Δ h = h - h 0

Δ h = h 0 1 + β Δ T 1 + 2 α Δ T - 1

Queremos calcular essa variação Δ h quando Δ T = 1 ° C :

Δ h = h 0 1 + β 1 + 2 α - 1

Δ h = h 0 β - 2 α 1 + 2 α

Como β e α são valores muito pequenos, o denominador vai ser muito próximo de 1 , por isso podemos aproximar:

Δ h ≈ h 0 β - 2 α

Passo 3

(b) Agora vamos considerar o que acontece quando:

h 0 = 10   c m

β = 1,8 × 10 - 4   / ° C

α = 9 × 10 - 6   / ° C

Usando a nossa fórmula de antes, a variação de altura quando Δ T = 1 ° C :

Δ h ≈ h 0 β - 2 α

Δ h = 0,10 1,8.10 - 4 - 2 9.10 - 6

Δ h = 1,62 × 10 - 5   m

Ou seja, o termômetro seria muito pouco sensível! A altura iria variar em centésimos de milímetros para um aumento de 1 ° C na temperatura.

Resposta

(a) A variação de altura é dada por Δ h ≈ h 0 β - 2 α .

(c) Nesse caso, teríamos Δ h = 1,62 × 10 - 5   m .

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