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Coeficiente de expansão térmica

Autor: Leandro Alegsa

20-04-2021

A maioria dos sólidos se expande em resposta ao aquecimento e ao contrato de resfriamento. Esta resposta à mudança de temperatura é expressa como seu coeficiente de expansão térmica.

É utilizado o coeficiente de expansão térmica:

em expansão térmica linear
na área de expansão térmica
em expansão térmica volumétrica

Estas características estão intimamente relacionadas. O coeficiente de expansão térmica volumétrica pode ser medido para todas as substâncias de matéria condensada (líquidos e estado sólido). A expansão térmica linear só pode ser medida no estado sólido e é comum em aplicações de engenharia.

Coeficientes de expansão térmica para alguns materiais comuns

A expansão e contração de material deve ser considerada ao projetar grandes estruturas, ao usar fita ou corrente para medir distâncias para levantamentos de terreno, ao projetar moldes para fundição de material quente, e em outras aplicações de engenharia quando são esperadas grandes mudanças de dimensão devido à temperatura. A faixa para α vai de 10-7 para sólidos duros a 10-3 para líquidos orgânicos. α varia com a temperatura e alguns materiais têm uma variação muito alta. Alguns valores para materiais comuns, dados em partes por milhão por grau Celsius: (NOTA: Isto também pode ser em kelvins, pois as mudanças de temperatura são na proporção de 1:1)

coeficiente de expansão térmica linear α
material	α em 10-6/K a 20 °C
Mercúrio	60
BCB	42
Chumbo	29
Alumínio	23
Latão	19
Aço inox	17.3
Cobre	17
Ouro	14
Níquel	13
Concreto	12
Ferro ou aço	11.1
Aço carbono	10.8
Platina	9
Vidro	8.5
GaAs	5.8
Fosforeto de Índio	4.6
Tungstênio	4.5
Vidro, pirex	3.3
Silício	3
Invar	1.2
Diamante	1
Quartzo, fundido	0.59

Aplicações

Para aplicações que utilizam a propriedade de expansão térmica, ver termômetro bi-metal e de mercúrio

A expansão térmica também é utilizada em aplicações mecânicas para encaixar peças umas sobre as outras, por exemplo, uma bucha pode ser encaixada sobre um eixo tornando seu diâmetro interno ligeiramente menor do que o diâmetro do eixo, depois aquecendo-o até encaixar sobre o eixo, e permitindo que ele esfrie após ter sido empurrado sobre o eixo, conseguindo assim um "ajuste de encolhimento".

Existem algumas ligas com um CTE muito pequeno, utilizadas em aplicações que exigem mudanças muito pequenas na dimensão física em uma gama de temperaturas. Uma delas é o Invar 36, com um coeficiente na faixa de 0,6x10-6. Estas ligas são úteis em aplicações aeroespaciais onde podem ocorrer grandes oscilações de temperatura.

Perguntas e Respostas

P: O que é o coeficiente de expansão térmica?

R: O coeficiente de expansão térmica é uma medida de quanto um sólido se expande ou se contrai em resposta a mudanças de temperatura.

P: Quais são os três tipos de expansão térmica?

R: Os três tipos de expansão térmica são expansão térmica linear, expansão térmica de área e expansão térmica volumétrica.

P: Qual é a diferença entre expansão térmica linear e expansão térmica volumétrica?

R: A expansão térmica linear refere-se a alterações no comprimento, enquanto a expansão térmica volumétrica refere-se a alterações no volume.

P: O coeficiente de expansão térmica volumétrica pode ser medido para líquidos?

R: Sim, o coeficiente de expansão térmica volumétrica pode ser medido para todas as substâncias de matéria condensada, inclusive líquidos.

P: Em que estado a expansão térmica linear pode ser medida?

R: A expansão térmica linear só pode ser medida no estado sólido.

P: Por que a expansão térmica linear é comum em aplicações de engenharia?

R: A expansão térmica linear é comum em aplicações de engenharia porque é relevante para estruturas e componentes que precisam manter sua forma e tamanho sob temperaturas variáveis.

P: Os diferentes tipos de expansão térmica estão intimamente relacionados?

R: Sim, os diferentes tipos de expansão térmica (linear, de área e volumétrica) estão intimamente relacionados.