Calculadora de dilatação térmica

A dilatação térmica é a tendência da matéria de alterar suas dimensões em resposta a mudanças de temperatura. Quando uma substância é aquecida, suas partículas vibram com mais energia e precisam de mais espaço, fazendo o material se expandir. Por outro lado, o resfriamento causa contração à medida que o movimento das partículas diminui. Esse fenômeno ocorre em sólidos, líquidos e gases, embora a magnitude e o comportamento difiram bastante entre os estados da matéria. Nos sólidos, a dilatação térmica é caracterizada pelo coeficiente de dilatação linear (α), medido em 1/°C ou 1/K. A equação fundamental da expansão linear é ΔL = α × L₀ × ΔT, em que ΔL é a variação de comprimento, L₀ é o comprimento original e ΔT é a variação de temperatura. A expansão de área usa a fórmula ΔA = 2α × A₀ × ΔT, e a expansão de volume usa ΔV = 3α × V₀ × ΔT. Os fatores 2 e 3 decorrem da expansão em duas e três dimensões, respectivamente, assumindo que o material é isotrópico (expande igualmente em todas as direções). Os coeficientes de expansão variam muito entre materiais. O alumínio (23.1 × 10⁻⁶/°C) se expande cerca de duas vezes mais que o aço (11.7 × 10⁻⁶/°C) para a mesma variação de temperatura. Vitrocerâmicas projetadas para expansão quase nula (como Zerodur, α ≈ 0.05 × 10⁻⁶/°C) são usadas em espelhos de telescópios e instrumentos de precisão. Invar, uma liga de níquel e ferro, tem um coeficiente de expansão excepcionalmente baixo (1.2 × 10⁻⁶/°C) e é usado em padrões geodésicos e instrumentos sísmicos. Na engenharia civil e estrutural, a dilatação térmica é um fator crítico de projeto. Trilhos ferroviários se expandem no verão e precisam de juntas de dilatação para evitar flambagem. Pontes longas exigem juntas de dilatação a cada 50–100 metros para acomodar movimentos térmicos de vários centímetros ao longo do ciclo anual de temperatura. Estruturas de concreto também precisam de juntas de controle porque o coeficiente de expansão do concreto é próximo ao das barras de aço — uma coincidência feliz que mantém o concreto armado estruturalmente estável em diferentes faixas de temperatura. Na engenharia mecânica e eletrônica, incompatibilidades de dilatação térmica causam falhas quando materiais diferentes são unidos ou restringidos. Placas de circuito impresso sofrem delaminação quando ligas de solda, trilhas de cobre e substratos de epóxi se expandem em ritmos diferentes durante ciclos térmicos. Componentes de motores devem ser projetados com folgas precisas que considerem a dilatação térmica durante o aquecimento e a operação. Instrumentos de precisão e sistemas ópticos usam projetos compensados por temperatura ou materiais com coeficientes de expansão combinados para manter a precisão em toda a faixa de temperatura de operação.