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Expansão térmica e densidade
A dilatação térmica dos materiais pode causar grandes prejuízos económicos. Na indústria da construção, por exemplo, devem ser previstas juntas de dilatação para compensar as alterações de comprimento devidas às
A expansão ocorre em todas as direcções espaciais, de modo que a densidade muda à medida que a massa permanece constante. A expansão de materiais anisotrópicos é dependente da direção, pelo que a direção da expansão deve ser especificada. Para determinar a densidade ou o coeficiente de expansão do volume, todas as direcções espaciais devem ser tidas em conta.
Definição de expansão térmica
O coeficiente de expansão térmicaα, também conhecido como CTE, é definido como a mudança relativa no comprimento quando a temperatura muda em um Kelvin:
α= ∆L/(L0 *∆T)
com:
∆L: Variação do comprimento [m]
L0: Comprimento inicial [m]
∆T: Variação da temperatura [K]
resulta na unidade K-1 (“por Kelvin”) para α. Depende da temperatura e, por conseguinte, varia, mas muitas vezes apenas em pequena escala, consoante a gama de temperaturas considerada. A sua ordem de grandeza é normalmente 10-6 K-1, pelo que é frequentemente indicada em “ppm K-1”.
Os materiais com coeficientes de dilatação baixos são, por exemplo, o vidro de quartzo e o metal INVAR, que têm um coeficiente de dilatação inferior a 1 ppm K-1. Os polímeros têm os coeficientes de expansão mais elevados (até cerca de 200 ppm K-1). Dependendo da gama de temperaturas, alguns materiais apresentam expansões negativas.
Transformações de fase
Os coeficientes de dilatação das diferentes fases de um mesmo material são diferentes. Por exemplo, os coeficientes de expansão dos polímeros acima da temperatura de transição vítrea são maiores do que abaixo.
Outro exemplo bem conhecido são as transformações de fase do ferro elementar: até 906 °C, a estrutura cristalina cúbica centrada no corpo é estável (α-ferro), de 906 °C a 1401 °C a estrutura cúbica mais densa (β-ferro) e acima de 1539 °C a estrutura cúbica centrada no corpo (δ-ferro). Como o preenchimento do espaço do empacotamento cúbico mais denso (74%) é maior do que o do empacotamento cúbico centrado no corpo (68%), há saltos na densidade e, portanto, também no comprimento durante as transformações de fase. Estes são utilizados para detetar transições de fase em ligas de ferro:
Medição do coeficiente de expansão
Líquidos
A expansão ou densidade dos líquidos é geralmente determinada utilizando picnómetros. Um volume constante da amostra é temperado e a massa é determinada. Os líquidos expandem-se normalmente com o aumento da temperatura. Uma exceção bem conhecida é a água, que tem a sua densidade máxima a 4 °C (“anomalia da água”).
O chamado método do tubo em U oscilante também é utilizado. Neste caso, a densidade é calculada medindo a frequência natural de um tubo em U oscilante cheio com o líquido a analisar.
Os líquidos também podem ser medidos utilizando recipientes adequados para líquidos num dilatómetro de haste. Deve ter-se o cuidado de assegurar que não há fuga de gases do líquido e que os gases que se escapam também saem do recipiente, embora a amostra líquida não deva escapar.
Estado sólido
Os sólidos são normalmente medidos utilizando dilatómetros (de haste) ou analisadores termomecânicos (TMA). Neste caso, a amostra é colocada num forno e contactada com uma haste de pressão. A mudança no comprimento da amostra é transferida para um sensor pela haste de pressão. Dependendo do forno utilizado, pode ser coberta uma gama de temperaturas de -263 a +2800 °C. Dependendo da gama de temperaturas, são utilizadas varetas de vidro de quartzo, óxido de alumínio ou grafite. Os transformadores diferenciais (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) e, mais recentemente, os codificadores ópticos são normalmente utilizados como sensores.
Se, devido às suas propriedades, as amostras forem difíceis de processar, frágeis ou facilmente deformáveis, de modo a não poderem suportar a força da haste de contacto, são utilizados dilatómetros ópticos, também conhecidos como microscópios de aquecimento. Aqui, tal como no caso do dilatómetro de vareta, a amostra é colocada numa estufa. A amostra é observada com uma câmara cujas imagens são medidas. Ao analisar as imagens, é possível observar não só a expansão (aqui mesmo em 2 dimensões), mas também as alterações de forma e a fusão, e calcular os ângulos de contacto.
As amostras em pó são medidas em adaptadores especiais. Deve ter-se o cuidado de assegurar que o ar contido, mas não a amostra, possa sair (analogamente à medição de líquidos). O grau de compactação (densidade aparente, densidade de vibração, densidade de batida) da amostra também deve ser tido em conta: não deve ser alterado pelas condições de medição.
Os materiais com coeficientes de dilatação particularmente baixos são medidos através de métodos interferométricos. Neste caso, a luz monocromática é reflectida pela amostra e sofre a interferência de um segundo feixe (princípio do interferómetro de Michelson). A alteração do comprimento resulta do comprimento de onda da luz utilizada e do número de interferências. Estes aparelhos de medição são também designados por dilatómetros LASER.
