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separação interatômica cresce a partir de r o para r 1 para r 2 , e assim por diante. (b) Para uma
curva simétrica de energia potencial versus distância interatômica, não existe nenhum
aumento na separação interatômica com a elevação da temperatura (isto é, r 1 = r 2 = r 3 ).
(Adaptada a partir de R.M. Rose, L.A. Shepard e J. Wulff, The Structure and Properties of
Materials, Vol. 4, Electronic Properties, Copyright (c) 1966 por John Wiley & Sons, New
York, Reimpresso por permissão de John Wiley & Sons, Inc.).
A expansão térmica é realmente devida à curva assimétrica dessa calha de energia
potencial em vez de aumentadas amplitudes de vibração atômica com a elevação da
temperatura. Se a curva de energia potencial fosse simétrica (Figura 20.3b) não haveria
nenhuma variação resultante em separação interatômica e, consequentemente, nenhuma
expansão térmica.
Para cada classe de materiais (metais, cerâmicas e polímeros), quanto maior a energia
de ligação atômica, tanto mais profunda e mais estreita essa calha de energia potencial. Como
um resultado, o aumento em separação interatômica com uma dada elevação na temperatura
será menor, fornecendo um menor valor de α l . A Tabela 20.1 lista os coeficientes lineares de
expansão térmica para vários materiais. Com relação à dependência em relação à
temperatura, a magnitude do coeficiente de expansão térmica cresce com a elevação da
temperatura cujo aumento é especialmente rápido quando muito próximo do zero Kelvin. Os
valores fornecidos na Tabela 20.1 são tomados à temperatura ambiente a menos que doutra
forma indicada.
Metais
Como notado na Tabela 20.1, coeficientes lineares de expansão térmica para alguns
dos metais comuns variam na faixa de cerca de 5 x 10 -6 e 25 x 10 -6 ( o C) -1 . Para algumas
aplicações, um alto grau de estabilidade dimensional com flutuação da temperatura é
essencial. Isso tem resultadono desenvolvimento de uma família de ligas ferro-níquel e ferrocobalto
que têm valores de α l da ordem de 1 x 10 -6 ( o C) -1 . Uma tal liga foi projetada para ter
características de expansão iguais àquelas do vidro Pyrex; quando ajuntada ao Pyrex e
submetida a variações de temperatura, tensões térmicas e fratura possível na junção são
evitadas.
Cerâmicas
Forças de ligação interatômica relativamente fortes são encontradas em muitos
materiais cerâmicos como refletidas nos comparativamente baixos coeficientes de expansão
térmica; valores tipicamente variam entre cerca de 0,5 x 10 -6 a 15 x 10 -6 ( o C) -1 . Para
cerâmicas não cristalinas e também aquelas contendo estruturas cristalinas cúbicas, α l é
isotrópico. Doutro modo, ele é anisotrópico e, de fato, alguns materiais cerâmicos, durante o
aquecimento, contraem-se em algumas direções cristalográficas enquanto se expandem em
outras. Para vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da composição. Sílica
fundida (vidro de SiO 2 de alta pureza) tem uma extremamente pequena expansão térmica, 0,5
x 10 -6 ( o C) -1 . Isso é explicado por uma baixa densidade de empacotamento atômico de
maneira que expansão interatômica produz relativamente pequenas variações dimensionais
macroscópicas. Adição de impurezas na sílica fundida aumenta o coeficiente de expansão
térmica.