Defina e explique:
Coeficiente de expansão térmica
Coeficiente de expansão térmica
Passo 1
O enunciado pede para definirmos e explicarmos o coeficiente de expansão térmica. O conteúdo é termodinâmica aplicada a materiais sólidos (e também líquidos/gases) e vamos precisar entender como as dimensões de um corpo mudam com a temperatura.
Passo 2
Quando um material é aquecido, a energia térmica faz os átomos ou moléculas vibrarem mais intensamente, aumentando a distância média entre eles. Esse aumento de distâncias leva a um aumento das dimensões do corpo, fenômeno chamado de expansão térmica.
Passo 3
Para quantificar esse efeito em uma direção (por exemplo, no comprimento de uma barra), definimos o coeficiente de expansão linear
. Ele é dado por
onde
é o comprimento em uma temperatura de referência e
é a taxa de variação do comprimento em função da temperatura.
Passo 4
Na forma aproximada para variações finitas de temperatura
, usamos
onde
é o comprimento inicial e
é o acréscimo de comprimento ao elevar a temperatura em
.
Passo 5
Se quisermos a expansão volumétrica de um corpo que se expande igualmente em todas as direções (material isotrópico), definimos o coeficiente volumétrico
por
e, em muitos sólidos, vale aproximadamente
. Aqui
é o volume inicial e
a variação de volume.
Passo 6
As unidades de
e
são reciprócas de temperatura (por exemplo,
). Cada material tem valores característicos de
(metais costumam ter
, vidros menores, polímeros maiores). Esse coeficiente é essencial no projeto de estruturas, porque juntas de dilatação e folgas são dimensionadas com base em
.
Resposta
O coeficiente de expansão térmica mede a variação relativa de dimensão de um material quando sua temperatura muda. Na forma linear, é definido por
e relaciona a mudança de comprimento
com a variação de temperatura
via
. Analogamente, o coeficiente volumétrico é
sendo normalmente
em sólidos isotrópicos.