o que é a expansão térmica?a expansão térmica é o fenômeno onde um objeto ou corpo se expande em reação a ser aquecido. A expansão térmica é mais óbvia em gases e líquidos, mas ainda pode ter um efeito substancial nos sólidos.
Figura 1: trilhos da estrada de ferro dobrada devido à expansão térmica linear
Figura 1: trilhos da estrada de ferro dobrada devido à expansão térmica linear
As propriedades térmicas dos sólidos são um aspecto muito importante no desenho de fábricas e produtos., Se a expansão térmica não for considerada durante a construção e o projeto, o resultado pode ser um grande dano estrutural em uma máquina ou edifício. Foram tomadas inúmeras medidas para evitar esta situação e muitas tecnologias engenhosas são desenvolvidas com base neste fenómeno. A quantidade que um material expande pode ser explicada considerando um coeficiente correspondente ao crescimento fraccional do material por mudança de grau na temperatura. Este coeficiente é chamado de coeficiente de expansão térmica e é usado para prever o crescimento dos materiais em resposta a uma mudança de temperatura conhecida., Quanto maior este coeficiente for para um material, mais ele se expandirá por aumento de temperatura de grau.
Figura 2: diagrama das vibrações atómicas antes e depois do aquecimento.quando um corpo é aquecido, ele está aceitando e armazenando energia em seus átomos na forma de energia cinética. Esta exposição a uma temperatura aumentada faz com que as vibrações naturais de um átomo se tornem mais fortes e mais pronunciadas., Este aumento da vibração empurra contra as forças inter-moleculares, permitindo que os átomos ou moléculas se distanciem mais e o corpo cresça maior. A quantidade pela qual uma substância se expande em reação a uma mudança de temperatura é matematicamente representada por um coeficiente de expansão térmica. Este coeficiente é único para cada material e é baseado em suas outras propriedades físicas. Quanto maior for o coeficiente de expansão térmica de um material, mais ele se expandirá em reação a ser aquecido., Os cristais tendem a ter os coeficientes de expansão térmica mais baixos porque sua estrutura é extremamente uniforme e estruturalmente sólida. O diamante tem o menor coeficiente de expansão térmica conhecido de todos os materiais naturais. Os sólidos com os mais altos coeficientes de expansão térmica são os que têm fracas ligações inter-moleculares, tipicamente polímeros, que também tendem a ter baixos pontos de fusão. A razão para isso é que as ligações mais fracas são superadas com menos energia vibracional., Os metais tendem a ter coeficientes relativamente baixos, mas também têm pontos de fusão muito altos, e não são tão perceptíveis a uma falha material causada pelo estresse da expansão. Isso faz com que os metais candidatos ideais para usar ao medir a expansão térmica.medições de uma mudança de volume causada por um processo físico ou químico são chamadas de dilatometria. Um instrumento projetado para medir a variação no volume de alguma substância é chamado de dilatômetro., O exemplo mais comum de um dilatômetro é um termômetro de mercúrio, que mede o volume e a variação no volume do mercúrio retido que é usado para determinar a temperatura do ambiente circundante. Dilatômetros também podem ser usados para calcular o coeficiente de expansão térmica. Para determinar o coeficiente, O volume do material é cuidadosamente medido à medida que a temperatura sobe de um valor conhecido para outro. Há alguns exemplos de dilatômetros que são projetados para medir o volume de peças de metal sólido para determinar a expansão térmica., Um projeto é o dilatômetro de capacitância. Neste projeto, uma placa de um capacitor é móvel, e a amostra é colocada atrás dele, de modo que quando ele expande ele empurra a placa móvel para mais perto da outra placa. Um exemplo mais moderno e preciso seria o dilatômetro laser, que constantemente mede as dimensões da amostra com lasers. Um dos projetos mais versáteis é o dilatômetro óptico, que é simplesmente uma câmera digital usando um grupo óptico para medir as variações no tamanho da amostra.,
Figura 3: diagrama mostrando o efeito da expansão térmica linear.Gases e líquidos expandem-se sempre volumetricamente, expandindo-se dentro dos limites de seus recipientes. Em teoria, os sólidos expandem-se sempre volumetricamente, mas como mantêm a sua forma, parecem expandir-se de forma diferente. Por exemplo, quando uma haste de metal longa é aquecida seus átomos viajam mais longe em todas as três dimensões. Durante esta expansão, o crescimento transversal das varas dificilmente será perceptível em comparação com o seu crescimento longitudinal., Uma vez que a haste é inicialmente muito fina, há um número relativamente pequeno de átomos empurrando uns contra os outros na direção transversal. No sentido longitudinal, no entanto, há um maior número de átomos alinhados, e quando todos empurram uns contra os outros forma uma reação em cadeia que empurra o comprimento total da haste para ser muito maior do que era.objetos com dimensões como esta só podem ser considerados como expandindo na mesma dimensão. Acredita-se que tenham um coeficiente de expansão térmica linear em vez de um coeficiente de expansão térmica de volume., Este coeficiente atua da mesma forma que o coeficiente tridimensional de expansão, exceto que corresponde ao aumento fraccional no comprimento (em vez de volume) por temperatura de grau. O mesmo se aplica aos coeficientes de expansão da área em duas dimensões para placas planas. A partir desta observação pode-se determinar que a quantidade que um corpo se expande em resposta a um aumento da temperatura é linearmente dependente do tamanho original do corpo.
uma abordagem observacional pode ser adotada para encontrar uma equação útil para prever o tamanho resultante de um corpo após uma mudança de temperatura., Como explicado acima, a quantidade que uma substância linear se expande é linearmente relacionada com o comprimento original, (L0). A observação mostra que a expansão também está aproximadamente linearmente relacionada com a mudança de temperatura (dT). Também é óbvio através da observação que todos os materiais se expandem de forma diferente. Devido a esta variação nos padrões de expansão, pode-se determinar que outros aspectos físicos influenciam a expansão térmica. É utilizado um coeficiente para ter em conta as propriedades físicas adicionais de uma substância. Este coeficiente é conhecido como o coeficiente de expansão térmica linear, (α)., A equação para o comprimento final seria, portanto,
L = L0 + L0*α*dT
o Que pode ser re organizados para α
α = (L – L0)/(L0*dT)
Ou se é dito que a variação no comprimento, L – L0, é dL
α = 1/L0 * dL/dT
A mesma lógica pode ser usada para construir as equações sobre expansão de volume. Eles são similares, exceto a variável comprimento seria trocada por volume e o coeficiente de expansão linear seria alterado para volumétrico. Para garantir a precisão, é ideal derivar a equação de expansão do volume da equação linear.,
V = L3 = 3
a partir da análise usando o método linear, é aparente que o valor de α está geralmente nas partes por milhão de intervalo (x10-6). Uma vez que o valor é tão pequeno, ambos os Termos que o elevam a um poder acima de um resulta em um valor tão pequeno que eles não terão quase nenhum efeito sobre o resultado. Estes termos podem ser ignorados aproximando-se ligeiramente.
V = L03
= V0
desde que α é um coeficiente desconhecido constante, pode-se dizer que 3α é um novo coeficiente desconhecido constante chamado o coeficiente de expansão térmica de volume, (β).,
V = V0 + V0*β*dT
β = 1/V0 * dV/dT
Esta forma da equação poderia agora ser usada para encontrar os coeficientes de expansão térmica dos materiais depois de medi-los com um dilatômetro sobre uma mudança de temperatura conhecida. Estas equações mostram que tanto os coeficientes de expansão linear como de volume têm unidades de Kelvin-1, Celcius-1, ou Fahrenheit-1.
com um dilatômetro e um termômetro, é muito direto para a frente realizar um experimento em uma amostra e, em seguida, seguir a equação para calcular os coeficientes de expansão térmica., Alumínio é um material conveniente para estudar com este método, uma vez que tem um coeficiente de expansão muito alto para um metal. Os aços inoxidáveis são talvez os mais comumente medidos devido ao seu uso abundante em muitas aplicações. Estes aços têm um coeficiente que é cerca de média para metais, no entanto, eles não são extremamente valiosos como prata e Ouro. A falta de conhecimento térmico durante a engenharia e o design pode resultar no colapso de pontes ou na destruição de equipamentos valiosos., A expansão térmica de materiais pode ser um grande obstáculo para a construção e concepção, no entanto, muitos processos de aplicação e tecnologias foram projetados com a expansão térmica como um componente fundamental da função.
Figura 4: junta de Dilatação em uma ponte