Calculadora de expansão térmica

O que é a expansão térmica?

A expansão térmica é a tendência da matéria a mudar de volume quando submetida a uma mudança de temperatura. Geralmente, os materiais se expandem quando aquecidos e contraem quando refrigerados, embora haja algumas exceções notáveis. Este fenômeno afeta praticamente todos os objetos físicos, desde os menores componentes do microchip até pontes maciças e trilhos ferroviários.

A ciência por trás da expansão térmica

No nível molecular, a expansão térmica ocorre porque quando um material é aquecido, suas partículas (átomos e moléculas) ganham energia cinética e vibram mais vigorosamente. Este aumento de movimento faz com que a distância média entre as partículas aumente. À medida que as partículas se afastam umas das outras, as dimensões globais do material aumentam.

As forças intermoleculares entre partículas também desempenham um papel fundamental. À medida que a temperatura sobe, essas forças enfraquecem ligeiramente, permitindo maior separação entre moléculas. Para a maioria dos materiais, a curva de energia potencial entre moléculas é assimétrica, o que significa que a repulsão aumenta mais acentuadamente em distâncias próximas do que a atração diminui em distâncias maiores, resultando em expansão líquida.

Tipos de expansão térmica

A expansão térmica manifesta-se em três formas principais:

• Ampliação linear:A mudança no comprimento de um material. É descrito pelo coeficiente de expansão linear (α).
• Expansão da área:Também chamada expansão superficial, refere-se à mudança na área de superfície. Para materiais isotrópicos, o coeficiente de expansão de área é aproximadamente o dobro do coeficiente linear (2α).
• Expansão de volume:Também conhecido como expansão cúbica, ele mede a mudança de volume. Para os materiais isotrópicos, o coeficiente de expansão volumétrica é aproximadamente três vezes o coeficiente linear (3α).

Expansão em diferentes estados da matéria

Aplicações e Desafios de Engenharia

A expansão térmica tem inúmeras implicações em engenharia:

• Juntas de dilatação:Pontes, edifícios e tubulações incorporam juntas de expansão para acomodar mudanças dimensionais sem criar estresse ou danos.
• Tiras bimetálicos:Utilizados em termostatos e interruptores controlados por temperatura, estes dispositivos utilizam as diferentes taxas de expansão de dois metais ligados.
• Vias férreas:As aberturas são deixadas intencionalmente entre seções de trilhos ferroviários para evitar encurvamento (dobras de sol) durante o tempo quente.
• Tensão térmica:Quando a expansão é restringida, o estresse térmico se desenvolve que pode levar à falha do material, se não for adequadamente gerenciado.
• Instrumentos de precisão:Instrumentos científicos que exigem alta precisão muitas vezes usam materiais de baixa expansão como Invar (uma liga de níquel-ferro).

A expansão anômala da água

A água exibe propriedades de expansão térmica incomuns. Ao contrário da maioria das substâncias, a densidade máxima da água ocorre em aproximadamente 4°C (39,2°F). Quando arrefecida da temperatura ambiente, a água contrai-se como esperado até chegar a 4°C. No entanto, o resfriamento adicional de 4°C para 0°C (seu ponto de congelamento) faz com que se expanda.

Esta propriedade anômala é crucial para os ecossistemas aquáticos. No inverno, quando a água superficial de lagos esfria a 4°C, afunda (sendo mais densa), criando um padrão de circulação. Uma vez que a água superficial esfria abaixo de 4°C, torna-se menos densa e permanece no topo, formando eventualmente gelo que flutua. Esta camada de gelo isola a água abaixo, permitindo que a vida aquática sobreviva mesmo em lagos congelados.

Coeficientes de expansão térmica

Os materiais variam amplamente em suas propriedades de expansão. Por exemplo:

• PTFE (Teflon) tem um dos maiores coeficientes entre os sólidos a 119 × 10−6/°C
• A maioria dos metais varia de 10-30 × 10−6/°C
• Invar, especialmente projetado para baixa expansão, tem um coeficiente tão baixo quanto 0,6 × 10−6/°C
• Vidro de quartzo tem um coeficiente excepcionalmente baixo de cerca de 0,4 × 10−6/°C

Essas diferenças nos coeficientes de expansão térmica podem ser exploradas em várias aplicações, mas também apresentam desafios ao unir materiais diferentes.

Descrição Matemática

A expansão térmica é a tendência da matéria a mudar sua forma, área e volume em resposta a uma mudança de temperatura. A fórmula de expansão linear calcula a mudança de comprimento de um material.

Para calcular a expansão térmica, siga estes passos:

1. 1
   Medir o comprimento inicial do material
2. 2
   Determinar o coeficiente de expansão linear para o material
3. 3
   Calcular a mudança de temperatura
4. 4
   Multiplique todos os valores juntos para obter a mudança de comprimento

Coeficientes comuns de expansão linear (1/°C):

• Alumínio: 23 × 10−6
• Aço: 12 × 10−6
• Cobre: 17 × 10−6
• Vidro: 9 × 10−6
• Concreto: 12 × 10−6