4C45.10 Fio de ferro aquecido se dilata e ocorre mudança de fase cristalina

Um fio de ferro de cerca de um metro de comprimento é mantido esticado verticalmente por meio de uma massa suspensa na sua extremidade. O fio passa por uma roldana que tem ponteiro para indicar quando ela gira.
Um Variac fornece uma corrente elétrica ajustável para aquecer o fio. Por meio do Variac, a corrente no fio é aumentada gradativamente até ele ficar incandescente. A dilatação do fio pode ser observado por meio da rotação da roldana, indicada pelo ponteiro. Ao desligar a corrente no fio, observa-se que o ponteiro passa a girar no sentido oposto, indicando a contração do fio.

Se o fio for aquecido até 1180 K e, em seguida, deixado esfriar, ele volta ao seu comprimento inicial de antes de ser aquecido.
No entanto, se ele for aquecido a uma temperatura acima de 1180 K e depois resfriado, observa-se que, inicialmente ele se contrai mas em determinado momento o seu comprimento passa a aumentar por um instante para, em seguida, continuar a se encolher.

Esse comportamento é devido a uma transição de fase do ferro que ocorre à temperatura de 1180 K. Abaixo dessa temperatura, os átomos de Fe estão em uma estrutura cristalina do tipo cúbica de corpo centrado (BCC). Acima dessa temperatura o material passa por uma transiçao de fase em que sua rede cristalina muda para cúbica de face centrada (FCC).
Durante o resfriamento, ao passar pela transição de FCC para BCC algumas propriedades físicas do Fe mudam. Sua densidade diminui de 8 a 9% e, consequentemente, seu comprimento se aumenta (cerca de 2%).

A fase BCC do ferro é chamada de fase alfa ou de fase ferrita; a FCC é chamada de fase gama ou a fase austenita.

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Referências

Demonstration of a crystalline phase change in a solid
A. A. Bartlett, The Physics Teacher 13, 545 (1975); doi: 10.1119/1.2339261

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