Coeficiente de expansão térmica
Coeficiente de expansão térmica
O coeficiente de expansão térmica (CTE) descreve o grau em que o tamanho de um material muda com a temperatura. Normalmente, ele é expresso em unidades por grau Celsius (°C-¹) ou por Kelvin (K-¹). Embora a representação matemática exata da CTE envolva fórmulas, o conceito gira em torno das mudanças lineares, de área ou volumétricas que um material sofre com a variação da temperatura.
Fatores que afetam a expansão térmica
Vários fatores influenciam o coeficiente de expansão térmica dos materiais:
Composição do material
Diferentes materiais têm CTEs inerentemente diferentes. Metais,cerâmicas, polímeros e compostos respondem de forma única às mudanças de temperatura com base em suas estruturas atômicas e moleculares.
Faixa de temperatura
O CTE pode variar com a temperatura. Alguns materiais apresentam expansão linear em determinadas faixas de temperatura, enquanto outros podem ter comportamentos não lineares em temperaturas mais altas ou mais baixas.
Anisotropia estrutural
Os materiais anisotrópicos, que têm propriedades dependentes da direção, podem se expandir de forma diferente ao longo de vários eixos. Isso é particularmente importante em materiais como madeira ou determinados cristais.
Estresses externos
As tensões pré-existentes em um material podem afetar a forma como ele se expande ou se contrai quando a temperatura muda. As tensões residuais dos processos de fabricação podem alterar o CTE efetivo.
Fatores ambientais
A exposição a diferentes ambientes, como umidade ou exposição a produtos químicos, pode influenciar as propriedades de expansão térmica dos materiais ao longo do tempo.
Expansão térmica de materiais comuns
A tabela abaixo fornece exemplos de vários materiais e seus respectivos coeficientes de expansão térmica:
|
Material |
Coeficiente de expansão térmica (°C-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
|
|
Aço |
12 ×10-⁶ |
|
Vidro |
9 ×10-⁶ |
|
Concreto |
10 ×10-⁶ |
|
Cobre |
16.5 ×10-⁶ |
|
Latão |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 ×10-⁶ |
|
|
Polietileno |
100 ×10-⁶ |
|
Fibra de carbono |
0.5 ×10-⁶ |
|
Invar (liga) |
1.2 ×10-⁶ |
Expansão térmica de metais comuns
|
Metal |
CTE (10-⁶/°C) |
|
Alumínio |
23.1 |
|
Latão |
19-21 |
|
Bronze (fósforo) |
17.6 |
|
Cobre |
16.5 |
|
Ouro |
14.2 |
|
Ferro |
11.8 |
|
Chumbo |
28.9 |
|
Magnésio |
25.2 |
|
Níquel |
13.3 |
|
8.8 |
|
|
Prata |
19.5 |
|
Aço inoxidável (304) |
16.0 |
|
Aço inoxidável (316) |
15.9 |
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Aço (carbono) |
11.7-13.0 |
|
Estanho |
22.0 |
|
Titânio |
8.6-9.4 |
|
4.5 |
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|
Zinco |
30.2 |
|
Zircônio |
5.7 |
Perguntas frequentes
Qual é a importância do coeficiente de expansão térmica na engenharia?
O coeficiente de expansão térmica é crucial 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 coeficiente de expansão térmica afeta os objetos do cotidiano?
Objetos do cotidiano, como pontes, ferrovias e edifícios, expandem e contraem com as mudanças de temperatura. Entender seu CTE ajuda a projetar juntas de expansão e outros recursos que acomodam esses movimentos, evitando danos estruturais.
O coeficiente de expansão térmica pode ser negativo?
Sim, alguns materiais apresentam expansão térmica negativa, o que significa que eles se contraem quando aquecidos. Esses materiais são relativamente raros e são interessantes para aplicações especializadas em que a contração controlada é desejável.
Como o coeficiente de expansão térmica é medido?
Normalmente, o CTE é medido por meio de técnicas como a dilatometria, em que a alteração no comprimento ou no volume de um material é monitorada à medida que ele é aquecido ou resfriado sob condições controladas.
O coeficiente de expansão térmica varia de acordo com a pureza do material?
Sim, as impurezas e os elementos de liga podem afetar significativamente o CTE de um material. Os materiais puros geralmente têm características de expansão diferentes em comparação com suas contrapartes com liga.
