A expansão térmica é o fenômeno físico no qual um material sofre uma mudança em suas dimensões devido a variações de temperatura.
Quando a temperatura de um objeto é aumentada, as partículas que o compõem tendem a se mover com maior energia e amplitude, o que provoca um aumento do espaço intermolecular e, consequentemente, de suas dimensões macroscópicas.
A expansão térmica é um fenômeno relevante em muitas aplicações práticas e pode ter efeitos significativos em estruturas, sistemas mecânicos e dispositivos térmicos. Engenheiros e projetistas devem considerar esses efeitos ao projetar componentes e sistemas que estarão sujeitos a mudanças de temperatura.
Existem três tipos principais de expansão térmica: expansão linear, expansão superficial e expansão volumétrica.
Dilatação linear
A expansão linear é um tipo de expansão térmica que ocorre em objetos unidimensionais, como barras, hastes ou cabos, quando submetidos a mudanças de temperatura.
Quando um objeto é aquecido, as partículas que o compõem adquirem maior energia cinética e se afastam umas das outras, causando um aumento no comprimento do objeto.
A fórmula para calcular a expansão linear de um objeto é a seguinte:
ΔL = α * L0 * ΔT
Onde:
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ΔL é a variação do comprimento.
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L0 é o comprimento inicial.
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α é o coeficiente de expansão linear do material.
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ΔT corresponde à mudança de temperatura.
Dilatação superficial
A expansão superficial é outro tipo de expansão térmica que ocorre em objetos bidimensionais, como folhas, placas ou superfícies planas, quando submetidos a mudanças de temperatura.
A variação da área superficial (ΔA) está relacionada à área inicial (A0), ao coeficiente de dilatação superficial (β) do material e à variação de temperatura (ΔT) pela seguinte equação: ΔA = β * A0 * ΔT
O coeficiente de expansão superficial (β) é o dobro do coeficiente de expansão linear (α): β = 2 * α
Dilatação volumétrica
A expansão volumétrica refere-se à mudança no volume de um objeto tridimensional devido a variações de temperatura.
A dimensão afetada é o volume. A variação de volume (ΔV) está relacionada ao volume inicial (V0), ao coeficiente de expansão volumétrica (γ) do material e à variação de temperatura (ΔT) pela seguinte equação: ΔV = γ * V0 * ΔT
O coeficiente de expansão volumétrica (γ) indica quanto o volume do objeto irá expandir ou contrair por unidade de variação de temperatura e é três vezes o coeficiente de expansão linear (α): γ = 3 * α
Coeficiente de expansão
Cada material tem um coeficiente de expansão específico que determina o quanto ele irá expandir ou contrair por unidade de mudança de temperatura. Materiais com coeficientes de expansão mais altos tendem a experimentar maior expansão térmica com o aumento da temperatura.
Os coeficientes de expansão superficial e volumétrica são duas e três vezes o coeficiente de expansão linear, respectivamente.
Os coeficientes de expansão linear são geralmente expressos em unidades de 10-6 por grau Celsius (μm/°C) ou 10-6 por grau Kelvin (μm/K).
Do que depende a expansão térmica de um material?
A diferença na expansão térmica entre os materiais depende de várias características intrínsecas de cada substância.
Primeiro, a estrutura atômica e o tipo de ligação do material desempenham um papel fundamental: materiais com ligações fortes, como cristais iônicos ou covalentes, tendem a ter menor expansão térmica do que aqueles com ligações mais fracas, como os amorfos.
Além disso, a massa atômica, a densidade e a distribuição dos átomos também desempenham um papel, uma vez que materiais mais densos com átomos mais massivos podem sofrer menos expansão em comparação com materiais menos densos.
Expansão térmica em gases
No caso dos gases, a variação de volume é regida por outras fórmulas. Pela sua natureza, os gases tendem a ocupar todo o volume disponível, mantendo uma relação equilibrada entre pressão, temperatura e volume.
Quando um gás sofre uma mudança de temperatura, o volume varia dependendo de como a pressão varia de acordo com a lei universal dos gases.
A lei de Charles e Gay-Lussac afirma que, a pressão constante, o volume de um gás ideal é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta (medida em Kelvin). A equação que representa essa relação é:
V2 = V1 * (T2 / T1 )
Onde V1 e V2 são os volumes inicial e final do gás, e T1 e T2 são as temperaturas absolutas inicial e final, respectivamente.
Exemplos de expansão térmica na vida cotidiana
A expansão térmica é um fenômeno comum na vida cotidiana e pode ser observada em inúmeros objetos e situações. aqui estão alguns exemplos:
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Expansão de estradas e pontes: Pontes e estradas são feitas de materiais como concreto e aço, que se expandem quando aquecidos e se contraem quando resfriados. Por esta razão, são projetados com juntas de dilatação para evitar rachaduras e quebras.
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Expansão do Trilho do Trem: Os trilhos do trem, geralmente feitos de aço, também sofrem dilatação térmica. À medida que os trilhos esquentam ao sol, eles podem ficar mais longos, e isso pode levar à necessidade de juntas de expansão para evitar problemas de empenamento e distorção da pista.
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Expansão em Líquidos: Quando um líquido é aquecido, suas moléculas ganham energia cinética e se movem mais rapidamente, fazendo com que o volume do líquido aumente. Um exemplo comum é o termômetro, onde a expansão de um líquido, como o mercúrio, é usada para medir a temperatura.
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Expansão em linhas de energia: Os cabos de energia, especialmente aqueles que percorrem longas distâncias, podem sofrer expansão térmica devido a mudanças de temperatura. As linhas de energia podem se expandir ou contrair, variando a forma da catenária e a força de tensão que as mantém em suas extremidades.
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Expansão em panelas: Ao aquecer ou resfriar panelas, caçarolas e outras panelas, os materiais de que são feitos se expandem ou contraem, o que pode afetar sua forma e ajuste.