Coeficiente de expansão térmica

Coeficiente de expansão térmica

O coeficiente de expansão térmica quantifica a magnitude da mudança de tamanho que ocorre em um material em função da temperatura. Ele mede a alteração dimensional por grau de temperatura, normalmente registrada em por °C (°C-¹) ou por Kelvin (K-¹), e é uma propriedade fundamental do material utilizada na previsão da resposta do material em ambientes aquecidos e resfriados. Embora exista um meio matemático para descrever a CTE, o princípio básico é bastante simples: os materiais se expandem com o aquecimento e se contraem com o resfriamento; no entanto, o grau de expansão depende da estrutura atômica, do tipo de ligação e da microestrutura.

Fatores que afetam a expansão térmica

1. Composição do material

Dependendo de sua ligação, as classes de materiais têm respostas de expansão térmica bastante diferentes.

• Metais: Geralmente apresentam valores de CTE mais altos, pois, nas ligações metálicas, os átomos podem vibrar mais livremente (por exemplo, alumínio ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹).
• Cerâmica: Devido à ligação iônica/covalente rígida, elas têm baixa CTE. A sílica fundida, por exemplo, tem um CTE ≈ 0,5 × 10-⁶ °C-¹.
• Polímeros: muitas vezes têm valores não lineares muito altos de CTE, como polietileno ≈ 100 × 10-⁶ °C-¹.

• Materiais compostos: Seu CTE depende da combinação fibra/matriz; os compostos de fibra de carbono podem até mesmo apresentar expansão térmica quase nula.

2. Faixa de temperatura

A CTE não é necessariamente constante. Muitos materiais apresentam:

- Comportamento linear em uma faixa de temperatura moderada

- Expansão não linear em torno de transições de fase ou altas temperaturas

O aço, por exemplo, tem CTE aproximadamente linear na faixa de 20 a 100 °C, mas suas taxas de expansão aumentam à medida que a temperatura aumenta, com maior proximidade do ponto de recristalização.

3. Anisotropia estrutural

Se um material for anisotrópico, ele sofrerá uma expansão desigual ao longo de diferentes eixos.

- A madeira se expande muito ao longo do grão, mas muito pouco ao longo do grão.

4. Estresse externo e residual

As tensões internas podem ser introduzidas por processos de fabricação, como soldagem, usinagem e trabalho a frio. Essas tensões podem aumentar ou se opor ao comportamento de expansão natural e alterar o CTE efetivo de acordo.

5. Exposição ambiental

O CTE pode variar sutilmente com o tempo devido à umidade absorvida, à oxidação e a outras interações químicas. Na verdade, muitos polímeros absorvem umidade e incham, o que afeta as características de expansão térmica.

Tipos de expansão térmica

Em geral, há três tipos de expansão térmica, dependendo da alteração dimensional que está sendo descrita.

1. Expansão térmica linear

Essa é a mudança no comprimento de um material com a temperatura.

A maioria dos materiais de engenharia - metais, polímeros e componentes estruturais - é avaliada em termos de CTE linear.

Uma barra de alumínio de 1 metro de comprimentoCTE ≈ 23 × 10-⁶ °C-¹ se expandirá cerca de 23 micrômetros se for aquecida em 1°C.

2. Expansão térmica de área (bidimensional)

Algumas aplicações - filmes, revestimentos, membranas - exigem a compreensão de como a área da superfície se expande.

Para um material isotrópico, a expansão da área é aproximadamente o dobro do CTE linear.

As placas de metal do trocador de calor sofrerão expansão 2D, o que pode afetar a vedação da gaxeta/precarga do parafuso.

3. Expansão térmica volumétrica

Descreve a expansão tridimensional em volume. Usada para fluidos, cerâmicas e componentes fundidos.

Grandes mudanças volumétricas caracterizam os polímeros e também os compostos de matriz de polímero, afetando o projeto do molde durante a fabricação de plásticos.

Aplicações da engenharia de expansão térmica

1. Engenharia estrutural e civil

Grandes estruturas dependem de um fator crítico de projeto: a expansão térmica.

- As juntas de expansão em pontes são projetadas para absorver esses deslocamentos de vários centímetros em relação às mudanças sazonais de temperatura.

- Os pavimentos de concreto são espaçados com folgas de expansão para evitar a deformação durante o calor do verão.

- Os arranha-céus podem apresentar diferenças de vários milímetros a centímetros em sua altura devido aos ciclos térmicos diários.

2. Aeronaves e naves espaciais

Aeronaves e naves espaciais normalmente estão sujeitas a gradientes térmicos extremos:

• As pás das turbinas dos motores a jato operam a temperaturas acima de 1.000°C e precisam utilizar superligas à base de níquel com CTE rigorosamente controlado para evitar rachaduras.
• Os componentes ópticos de satélites geralmente são feitos de ligas de baixa expansão, como Invar, ou de materiais cerâmicos para manter a estabilidade dimensional em órbita.

3. Eletrônicos e semicondutores

A incompatibilidade de CTE entre os componentes é uma possível fonte de fadiga de solda e falha do dispositivo:

- Os compostos de fibra de vidro projetados para corresponder à expansão do cobre são usados em placas de circuito impresso (PCBs) para aumentar a confiabilidade.

4. Energia e maquinário industrial

A expansão térmica afeta:

Os exemplos incluem trocadores de calor e caldeiras, onde os tubos de metal são expandidos durante os ciclos de ativação.

Carcaças de turbinas - folgas controladas

Gasodutos projetados para flexionar com as estações do ano

5. Ótica de precisão e instrumentos científicos

Os materiais de expansão ultrabaixa incluem o vidro ULE e a sílica fundida, que são usados em bancos ópticos, telescópios e sistemas de metrologia em que a precisão é necessária em escalas nanométricas.

Expansão térmica de materiais comuns

A tabela abaixo fornece exemplos de vários materiais e seus respectivos coeficientes de expansão térmica:

Expansão térmica de metais comuns

Perguntas frequentes

Qual é a importância do coeficiente de expansão térmica na engenharia?

O coeficiente de expansão térmica é fundamental na engenharia para projetar estruturas e componentes que possam suportar mudanças de temperatura sem sofrer estresse ou deformação excessivos. Ele garante a integridade e a longevidade dos materiais usados em várias aplicações.

Como o CTE é medido?

Geralmente é feito por dilatometria, em que a mudança na dimensão é registrada continuamente sob aquecimento ou resfriamento controlado.

A pureza afeta o CTE?

Sim. As adições de ligas, as impurezas e os teores de defeitos podem causar alterações significativas nos CTEs. Exemplos são as ligas Invar, em que a adição de Ni ajusta precisamente a expansão térmica.