O coeficiente de expansão térmica (CTE) refere-se à taxa a que um material se expande com o aumento da temperatura. Mais especificamente, este coeficiente é determinado a uma pressão constante e sem mudança de fase, ou seja, espera-se que o material ainda esteja na sua forma sólida ou fluida.

Os materiais diferentes têm CTEs diferentes, o que os torna adequados para o uso particular para o qual são selecionados. A cerâmica tem CTEs muito baixos, enquanto os polímeros têm CTEs altos. Para os metais, Invar, uma popular liga de ferro e níquel, é conhecida pelo seu CTE muito baixo, o que a torna estável em amplas faixas de temperatura. A sua propriedade tornou-o útil no desenvolvimento de instrumentos de calibração. O mercúrio, por outro lado, é conhecido pelo seu CTE elevado, o que o torna capaz de responder a uma ampla gama de temperaturas, tal como é utilizado nos termómetros de mercúrio.

Neste artigo, você vai aprender sobre:

• Qual é o coeficiente de expansão térmica
• Como é medido o coeficiente de expansão térmica
• Aplicações e materiais que utilizam o coeficiente de expansão térmica
• Materiais/aplicações futuras

Qual é o coeficiente de expansão térmica?

O coeficiente de expansão térmica é a taxa na qual o tamanho de um material muda em relação à mudança de temperatura. As considerações de tamanho podem ser feitas por alterações de comprimento, área ou volume, e assim há coeficientes deriváveis para expansões lineares, de área e volume.

Com uma pressão constante assumida, a expansão linear, expansão de área e expansão de volume pode ser escrita mais simplesmente como;

“`alfa _{L}=\frac{1}{L} \Frac{dL}`

“`alpha _{A}=frac{1}{A} \Frac{dA}{dT}`

“`alpha _{V}=frac{1}{V} \frac{dV}{dT}`

Onde `L`, `A` e `V` são Comprimento, Área e Volume, respectivamente, e `T` é temperatura.

A unidade de medida dos coeficientes de expansão térmica é o inverso da temperatura, oC-1 ou K-1. Entretanto, dimensões extras como cm/cm ou mm2/mm2 são adicionadas à unidade para que se possa inferir se o coeficiente é linear, área ou volumétrico.

Quando os materiais são aquecidos, as moléculas daquele material começam a agitar mais e a distância média entre eles aumenta, o que se traduz em expansão de suas dimensões. Esta agitação varia de material para material e diferentes materiais respondem ao aumento da temperatura de diferentes maneiras devido às suas ligações atômicas e estruturas moleculares. Há muitas maneiras em que esta propriedade material pode ser adaptada para ser útil e outras formas devem ser contabilizadas para evitar falhas catastróficas.

Medição do coeficiente de expansão térmica

A medição dos coeficientes de expansão térmica ocorre através de 3 métodos principais; dilatometria, interferometria e análise termomecânica.

Dilatometria

Dilatometria é uma técnica bastante simples na qual uma amostra de teste é colocada em um forno e aquecida a certas temperaturas enquanto as mudanças nas dimensões da amostra são capturadas através de sensores de haste de empurrar. Tem uma faixa de temperatura entre -180oC a 900oC.

Interferometria

Interferometria é um sistema de imagem óptica e interferência que mede as mudanças dimensionais durante o aquecimento ou resfriamento em termos de densidade de comprimento de onda de luz monocromática. Tem precisão significativamente maior que a dilatometria.

Análise termomecânica

Análise termomecânica envolve o uso de um aparelho que, através de um transmissor de sonda e um transdutor, pode medir a expansão térmica com respeito às diferenças de temperatura. Normalmente tem uma faixa de temperatura entre -120oC a 600oC que pode ser estendida com diferentes equipamentos.

Existem outros métodos menos comuns sendo desenvolvidos e utilizados em determinadas condições especiais. Existem também modificações nos métodos acima mencionados, que podem aumentar consideravelmente um aspecto do procedimento, como a amplitude térmica ou a precisão da medição.

Aplicações e materiais

Aplicações que requerem considerações sobre o coeficiente de expansão térmica são, na sua maioria, metais, uma vez que, em intervalos de temperatura curtos, em que outros materiais não seriam destruídos, a expansão térmica é, de facto, insignificante. No entanto, em faixas de temperatura mais altas, apenas os metais podem permanecer intactos. Existem várias aplicações que requerem que a expansão térmica seja seriamente considerada. Em alguns casos, é desejável que o CTE do material usado seja muito baixo (como em ligas de baixa expansão) e, em alguns casos, é necessário que seja o mais alto possível (como em ligas de alumínio).

Ligas de baixa expansão encontram aplicação em relógios, pistões para motores de combustão interna, sistemas supercondutores, e eletrônica. Por outro lado, as licenças para expansão térmica têm de ser feitas sempre que partes significativas ou críticas contenham uma grande quantidade de alumínio. Em aplicações de soldagem, os coeficientes de expansão térmica de dois metais diferentes a serem soldados juntos devem ser semelhantes, caso contrário há um risco de acúmulo de tensão residual ao longo da solda, o que pode levar a falhas. A mesma ideia aplica-se na construção (tais como edifícios altos, pontes) onde são deixados espaços entre a estrutura do núcleo não só para contabilizar o movimento sísmico mas também para as expansões térmicas .

Tabela 1. Coeficiente de expansão térmica de materiais comuns

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Material	Coeficiente de Expansão de Temperatura Linear (10-6 m.m-¹ K-¹)
Diamond
Glass, Pyrex
Madeira, pinheiro
Alvenaria Brick
Kovar
Vidro, hard
Granito
Platina
Ferro fundido
Níquel
Aço
Ouro
Concreta
Cobre
Bronze
Baixo
Alumínio
Cálcio
Ice
Mercúrio
Celluloid

Futuras aplicações e materiais

Como as margens de erro diminuem e a necessidade de expansão térmica perfeitamente definida em certas faixas de temperatura aumentam, assim como os métodos de teste e a criação de novos materiais para atender a essa demanda. Já foram desenvolvidos novos métodos de medição de CTEs como a correlação de imagem infravermelha (IIC) e a correlação de imagem digital .

Novas formas de diminuir a expansão térmica de materiais como os fios de Kevlar, torcendo-os como cordas, foram exploradas. Outros materiais como o carboneto de silício utilizado na construção de telescópios espaciais são afinados com precisão para temperaturas tão baixas como -190oC. Dados abrangentes de materiais e seus CTEs são determinados e documentados para facilitar os processos de seleção de materiais para necessidades específicas .