O coeficiente de expansão, também conhecido como coeficiente de expansão térmica, é uma propriedade física dos materiais que descreve como o volume, o comprimento ou alguma outra dimensão de um material muda devido a uma mudança de temperatura. Ou seja, é uma medida que indica o quanto um material se expande ou se contrai quando é aquecido ou resfriado.
Quando a temperatura de um material aumenta, seus átomos ou moléculas tendem a vibrar com maior energia, resultando em um aumento do espaço entre eles, o que, por sua vez, faz com que o material se expanda.
Da mesma forma, quando o material esfria, a diminuição da energia térmica faz com que os átomos ou moléculas se aproximem, causando uma contração.
O coeficiente de expansão é geralmente indicado pela letra grega "α" (alfa) e é medido em unidades de 1/°C (inverso de graus Celsius) ou 1/°K (inverso de kelvin). Dependendo do tipo de expansão térmica (volumétrica, linear ou superficial), o coeficiente de expansão pode ter valores diferentes.
Tipos de coeficientes de expansão
Existem três tipos principais de coeficientes de expansão, que são usados para descrever diferentes tipos de expansão em materiais. Esses coeficientes são comumente denotados como:
Coeficiente de Expansão Linear (αl)
O coeficiente de expansão linear refere-se à mudança no comprimento de um material em uma única dimensão (por exemplo, em uma barra ou tubo) devido a mudanças de temperatura.
É usado quando o material possui propriedades anisotrópicas (ou seja, suas propriedades diferem em diferentes direções).
Coeficiente de Expansão Volumétrica (αv)
O coeficiente de expansão volumétrica descreve como o volume de um material varia com as mudanças de temperatura.
É calculado a partir dos coeficientes de expansão linear em três dimensões (no caso de materiais isotrópicos). Para materiais isotrópicos (com propriedades iguais em todas as direções), o coeficiente de expansão volumétrica está relacionado ao coeficiente de expansão linear (αl) pela equação:
αv = 3 * αl
Coeficiente de Expansão da Superfície (αs)
O coeficiente de expansão da superfície se aplica a materiais de chapa ou chapa, onde a expansão ocorre principalmente em duas dimensões (comprimento e largura) devido a mudanças de temperatura.
Este coeficiente está relacionado ao coeficiente de expansão linear e é usado em cálculos onde a expansão em apenas duas direções precisa ser levada em consideração.
Como é determinado o coeficiente de dilatação de um material?
O coeficiente de expansão térmica é determinado experimentalmente por um processo denominado análise dilatométrica. Um método geral para determinar o coeficiente de expansão linear de um material é descrito abaixo:
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Uma amostra do material a ser analisado é selecionada. A amostra pode estar na forma de uma barra, arame, folha ou outra geometria que facilite as medições.
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O comprimento inicial da amostra é medido usando um instrumento de medição preciso, como um paquímetro ou régua milimétrica. Este será o comprimento de referência (L0).
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A amostra é colocada em um dispositivo chamado dilatômetro ou interferômetro, que permite medir com precisão as mudanças no comprimento da amostra em relação às mudanças de temperatura.
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A amostra é submetida a um aquecimento controlado na faixa de temperatura de interesse de forma uniforme e gradual.
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À medida que a temperatura aumenta, as medições de comprimento da amostra são registradas em intervalos regulares de temperatura.
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Com os dados coletados, um gráfico de expansão térmica é construído, mostrando como o comprimento da amostra muda em função da temperatura. A inclinação deste gráfico fornece informações sobre o coeficiente de expansão linear do material.
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O coeficiente de expansão linear (αl) é calculado a partir do gráfico de expansão térmica usando a seguinte fórmula:
αl = (ΔL / (L0 * ΔT))
Onde:
αl = Coeficiente de expansão linear
ΔL = Mudança no comprimento da amostra
L0 = Comprimento inicial da amostra
ΔT = Mudança de temperatura experimentada
Exemplos de coeficientes de expansão
Abaixo está uma tabela com os coeficientes aproximados de expansão linear para alguns materiais proeminentes. Os valores estão em unidades de microdeformação por grau Celsius (µε/°C).
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Material |
Coeficiente de Expansão Linear (µε/°C) |
Descrição |
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Aço (Aço Carbono) |
11 - 13 |
O aço é uma liga de ferro com carbono, amplamente utilizada na construção civil, máquinas e outras aplicações devido à sua alta resistência e maleabilidade. Seu moderado coeficiente de expansão o torna adequado para várias aplicações. |
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Concreto (Concreto) |
8 - 12 |
O concreto é uma mistura de cimento, agregados e água, usado para construir estruturas fortes e duráveis. Possui menor coeficiente de expansão em comparação com outros materiais, o que o torna adequado para fundações e estruturas maciças. |
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Vidro (vidro borossilicato) |
3. 4 |
O vidro borosilicato é um tipo de vidro resistente ao calor e a produtos químicos. É utilizado em aplicações que requerem transparência e resistência térmica, como utensílios de laboratório e janelas de alta resistência. |
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Vidro (vidro comum) |
8 - 10 |
O vidro comum é um material amplamente utilizado em janelas, contêineres e aplicações arquitetônicas. Seu coeficiente de expansão é maior do que o vidro de borosilicato, tornando-o mais propenso a expansão com mudanças de temperatura. |
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Alumínio |
22 - 24 |
O alumínio é um metal forte e leve com uma ampla gama de aplicações na indústria, desde o transporte até a eletrônica. Seu alto coeficiente de expansão o torna ideal para aplicações que requerem baixa inércia térmica. |
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Cobre |
16 - 18 |
O cobre é um excelente condutor de eletricidade e calor, usado em aplicações elétricas e eletrônicas. Seu moderado coeficiente de expansão o torna adequado para aplicações onde é necessária uma boa condutividade térmica. |
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Latão |
19 - 20 |
O latão é uma liga de cobre e zinco, valorizada por seu brilho e maleabilidade. É utilizado em aplicações onde é necessária uma combinação de resistência, condutividade e estética, como acessórios e elementos decorativos. |
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Prata |
19 - 20 |
A prata é um metal precioso conhecido por sua alta condutividade elétrica e térmica. Seu moderado coeficiente de expansão o torna adequado para aplicações onde é necessária boa condutividade térmica com menor expansão térmica. |
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Ferro |
11 - 12 |
O ferro é um metal abundante utilizado na construção e fabricação de diversas estruturas e produtos industriais. Seu moderado coeficiente de expansão o torna adequado para aplicações estruturais e de engenharia. |
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Zinco |
30 - 32 |
O zinco é um metal usado na galvanização para proteger o aço da corrosão. Seu alto coeficiente de expansão o torna adequado para aplicações onde é necessária uma maior expansão térmica. |
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Cerâmica (Alumina) |
7 - 8 |
A alumina é uma cerâmica de alta resistência usada em aplicações de alta temperatura e desgaste, como componentes de motores e ferramentas de corte. Seu baixo coeficiente de expansão o torna adequado para aplicações com alta estabilidade dimensional. |
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Urânio |
13 - 14 |
O urânio é um metal radioativo usado em aplicações nucleares e como combustível em reatores nucleares. Seu moderado coeficiente de expansão o torna relevante no projeto de elementos de reatores. |