Propriedades Elétricas e Térmicas dos Materiais-1

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Propriedades Elétricas e Térmicas dos Materiais
Introdução:
Propriedades Térmicas estão vinculadas às características dos materiais quando submetidos a variações de temperatura. Dentre essas propriedades as que se destacam são: a condutividade térmica e a dilatação. A condutividade térmica é uma propriedade que permite certos corpos de transmitir mais ou menos calor. Nesse caso, materiais que são bons condutores de calor são Ag, Cu, Al, latão, Zn, aço e Pb (metais), enquanto os condutores de calor ruins são pedra, vidro, madeira, papel, etc (cerâmicas e polímeros). A dilatação é uma propriedade que permite um corpo aumentar quando submetido ao calor. Essa capacidade de dilatação esta vinculada ao coeficiente de dilatação térmica, que pode ser linear, superficial ou volumétrico. Essa característica deve ser considerada quando o material é submetido à variações consideráveis de temperatura.
Das propriedades elétricas a mais conhecida é a condutividade elétrica. Esta é uma propriedade que certos materiais possuem de permitir transporte de cargas elétricas. Os corpos que permitem o transporte de eletricidade são os condutores (materiais metálicos) e os que não permitem o transporte de cargas elétricas são chamados materiais isolantes. O cobre e suas ligas e o alumínio conduzem bem a eletricidade e são empregados na fabricação de linhas elétricas e aparelhagens. As ligas Cr-Ni e Fe-Ni conduzem mal e servem para construção de resistências elétricas, como reostatos. 
http://www.drb-assessoria.com.br/1pm.pdf
Metais
Os metais possuem muitas propriedades características, o que faz com que eles sejam de grande funcionalidade para nosso cotidiano. Essas propriedades dependem do tipo da estrutura e do tipo de ligação dos metais.
Os metais estão ligados por retículos cristalinos, sendo que cada átomo fica circundado por 8 ou 12 outros átomos do mesmo elemento metálico, tendo, portanto, atrações iguais em todas as direções. Além disso, como os átomos dos metais possuem apenas 1,2 ou 3 elétrons na ultima camada de valencia, esses elétrons acabam escapando com facilidade e transitando livremente pelo reticulado, formando uma nuvem de elétrons livres que funciona como uma ligação metálica e mantem os átomos unidos. Essa estrutura em retículos e esse tipo de ligação química resultam em uma serie de propriedades que são características dos átomos. 
Condutividade Elétrica: os metais são ótimos condutores de eletricidade, por isso são muito utilizados em fios elétricos. Essa propriedade é facilmente explicada pela nuvem de elétrons livres ou deslocalizados, que permitem a transição rápida de eletricidade através dos metais. Quando submetidos a uma voltagem externa, esses elétrons livres dirigem-se ao polo positivo da fonte externa. O movimento dos elétrons é o que chamamos de corrente elétrica.
Condutividade Térmica: a explicação para que os metais sejam bons condutores térmicos é baseada na presença de elétrons livres que são dotados de movimentos, como foi explicado anteriormente. Esses elétrons, assim como permitem o rápido transito de eletricidade, permitem o de calor, e por isso os metais são usados em panelas e caldeiras industriais. 
Ponto de fusão e de ebulição altos: os metais fundem e fervem à temperaturas, em geral, bem elevadas devido à ligação metálica ser muito forte, os átomos são intensamente unidos pela nuvem de elétrons. Por conta dessa propriedade podemos construir caldeiras, reatores, filamentos de lâmpadas e outros utilidades onde ocorrem aquecimentos intensos. O tungstênio (W) é um exemplo importante pois é o metal de maior ponto de fusão, 3.403,85⁰C, sendo usado na fabricação de filamentos de lâmpadas incandescentes. 
http://www.infoescola.com/quimica/propriedades-dos-metais/
http://www.mundoeducacao.com/quimica/propriedades-dos-metais.htm
CERÂMICAS
 Cerâmicas são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos: eles são muito frequentemente óxidos, nitretos e carbetos. A larga faixa de mateiais que caem dentro desta classificação inclui cerâmicas que são compostas de minerais de argilas, cimento e vidro. Estes materiais são tipicamente isolantes à passagem de eletricidade e de calor, e são mais resistentes a altas temperaturas e ambientes rudes do que metais e polímeros. Com relação ao comportamento mecânico, cerâmicas são duras mas muito frágeis.
Propriedades térmicas
Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica:
 	É a quantidade de calor requerida para variar a temperatura de uma substância em 1º C. [cal/g ºC] (O calor específico é adimensional, pois é dividido pela cap. Térmica da água a 15ºC)
A capacidade térmica depende de variáveis internas aos materiais como energia rotacional e vibracional dos átomos do material, mudanças de níveis energéticos dos elétrons.
Em considerações práticas o fator que mais influencia é a porosidade, já que muitos cerâmicos maciços tem comportamento semelhante em relação à capacidade térmica.
Como uma peça cerâmica com porosidade tem menor massa por volume que uma sem porosidade, a primeira necessita menor quantidade de calor para atingir uma temperatura específica 
Como resultado um forno revestido com material mais poroso (um refratário por exemplo) pode ser aquecido e resfriado muito mais rapidamente e eficientemente
Condutividade Térmica
É a taxa de fluxo calórico que atravessa o material. unidade: cal/s/cm2/ºC/cm ou W/mK.
Nos metais os transportadores de energia são os elétrons livres que estão presentes em grande quantidade e são muito móveis, logo os metais são ótimos condutores de calor
Nos cerâmicos a transmissão de energia térmica é realizada por “fonons” 
Os fonons são a quantificação da energia térmica transmitida pela vibração térmica da estrutura interna, ou designa um quantum de vibração em um retículo cristalino rígido. 
Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: Pesos atômicos
Cerâmicos, como elementos puros, tem melhor condutividade que compostos (melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por fonons)
Materiais cerâmicos com menor pesos atômicos e compostos de átomos com pesos atômicos próximos apresentam melhor condutividade (melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por fonons)
Exemplos: Diamante e grafita 900 W/mK (Cobre 400 W/mK)
BeO SiC e B4C possuem pesos atômicos similares e condutividades altas (altas para cerâmicos, se aproximam da do aço)
UO2 e ThO2 apresentam grande diferença entre os pesos de seus átomos e portanto baixa condutividade 
Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: Efeito da temperatura
Em cerâmicos maciços (poucos porosos) a condutividade diminui com o aumento de temperatura (menor caminho livre médio).Em cerâmicos muito porosos aumenta com a temperatura (aumenta a parcela de transmissão por radiação através dos poros
Efeito da porosidade
Como a condutividade nos poros acorre apenas por radiação, quanto maior a porosidade menor a condutividade térmica.Com o aumento da temperatura aumenta a radiação através dos poros aumentando a condutividade
Em tijolos refratários que em geral apresentam alta porosidade, possuem baixa condutividade térmica, constituindo-se em excelentes isolantes térmicos
Influência da formação de solução sólida na condutividade. Quanto maior o percentual solubilizado menor a condutividade térmica.
Influência da presença de impurezas na condutividade térmica: quanto maior o percentual de impurezas pior a condutividade.
Expansão térmica
Depende da força (energia) das ligações químicas, sendo inversamente proporcional.
Logo as cerâmicas predominantemente covalentes são as que apresentam menor expansão térmica sofrendo menos problemas com choques térmicos
α = ΔL/Lo/ΔT onde α é o coeficiente de expansão térmica, Lo é o comprimento, ΔL é a variação de comprimento, e ΔT é a faixa de temperatura relacionada. 
Unidade 1/ºC ou ºC-1 
PROPRIEDADES ELÉTRICAS
EXISTE UMA GRANDE DIVERSIDADE DOS MATERIAIS CERÂMICOS :
Maioria são Isolantes;
Alguns são semi-condutores;
Poucos são condutores.Condutividade Elétrica (s )
É determinada pelo número de transportadores de cargas (“n”), carga transportada por cada carregador (“q”) e a mobilidade das espécies transportadoras (“m”), ou “carregadores”.
Condutores Elétricos
A maioria dos metais, alguns cerâmicos e poucos polímeros (orgânicos) recaem na categoria de CONDUTORES ELÉTRICOS.
A maioria dos materiais CERÂMICOS são ISOLANTES ELÉTRICOS, bem como os materiais poliméricos.
Alguns materiais cerâmicos apresentam comportamento intermediário e possuem um nível moderado de condutividade e são chamados de SEMI-CONDUTORES.
A maioria deles são CERÂMICAS COVALENTES
Condutividade Eletrônica
Banda de energia está vazia ou cheia a condutividade eletrônica é ZERO.
Banda parcialmente preenchida é chamada de BANDA DE CONDUÇÃO.
Condutividade Eletrônica
Banda de energia está vazia ou cheia a condutividade eletrônica é ZERO.
Banda parcialmente preenchida é chamada de BANDA DE CONDUÇÃO.
Acontece predominantemente nos metais onde os transportadores são elétrons que se movem através da BANDA DE CONDUÇÃO.
A condutividade eletrônica também aparece em alguns cerâmicos óxidos de metais de transição (ReO3, CrO2, TiO e VO) que possuem uma superposição de orbitais incompletos “d” e “ f” formando a banda de condução.
Nos isolantes e semi-condutores existe um “GAP” de energia entre a camada mais externa preeenchida por elétrons (BANDA DE VALÊNCIA COMPLETA) e banda vazia adjacente (BANDA DE CONDUÇÃO).
Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo de elétrons entre a banda de valência e de condução, não havendo condução eletrônica.
Para um isolante ou mesmo um semicondutor a energia necessária para excitar um elétron é muito grande normalmente vindo de calor ou luz.
ISOLANTES: O “GAP” é muito grande e os elétrons não saltam.
SEMI-CONDUTORES: O “GAP” é pequeno e os elétrons podem saltar em alta temperatura e alta voltagem. São materiais covalentes em geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS). Para serem úteis em temperatura ambiente devem ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 W.cm).
CONCEITO DE ISOLANTE:
Quando a cerâmica não possui elétrons para a condução (último nível eletrônico está completo) e um “GAP” muito grande entre a banda completa e a vazia e tampouco possui defeitos suficientes (vazios) para possuir condutividade iônica.
A elevação da temperatura, bem como a elevação da quantidade de vazios diminui a resistividade.
Aplicações: isoladores de componentes e de circuitos elétricos. Como isolantes polarizáveis para capacitores como: BaTiO3, Al2O3, TiO2
Influência da temperatura: Com a elevação da temperatura a condutividade diminui (aumenta a resistividade), pois com o aumento da vibração térmica, aumenta o número de choques entre as partículas. Impurezas e deformações a frio tem efeito similar. 
Condutividade Iônica
O transportador da carga elétrica é o ÍON
Em geral ocorre nas CERÂMICAS LIGADAS IONICAMENTE.
Os íons estão presos pela rede cristalina e pelas ligações químicas e para moverem-se necessitam de:
ALTA TEMPERATURA (alta vibração térmica e defeitos)‏
DEFEITOS DE PONTO (interstícios vazios e vazios na rede)‏
Controla-se a condutividade iônica pela adição de íons de tamanho semelhante mas valências diferentes (por exemplo Y+3-Itrio ou Sc+3 -escandio) para criar novos defeitos (vazios) do ion que se quer conduzir.
Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.
Onde um íon Ca+2 substitui um íon Zr+4 e gera um VAZIO de oxigênio.
Com isso os oxigênios podem mover-se em temperaturas baixas quando um campo elétrico é aplicado. 
POLÍMEROS
Polímeros incluem os materiais familiares plástico e borracha. Muitos deles são compostos orgânicos que são quimicamente baseados em carbono, hidrogênio, e outros elementos não metálicos; além disto, êles têm muito grandes estruturas moleculares. Estes materiais têm tipicamente baixas densidades e podem ser extremamente flexíveis.
Um esquema de classificação de materiais poliméricos é de acordo com a resposta mecânica a elevadas temperaturas. Termoplásticos (ou polímeros termoplásticos) e Termorrígidos (ou polímeros termorrígidos) são as 2 divisões. 
Termoplásticos se amolecem quando aquecidos (e eventualmente se liquefazem) e se endurecem quando resfriados - processos que são totalmente reversíveis e podem ser repetidos. 
Estes materiais são normalmente fabricados pela aplicação simultânea de calor e pressão. Num nível molecular, à medida em que a temperatura é elevada, as forças de ligação secundária são diminuídas (pelo aumentado movimento molecular) de maneira que o movimento relativo de cadeias adjacentes é facilitado quando uma tensão é aplicada. Degradação irreversível resulta quando a temperatura de um polímero termoplástico é elevada até o ponto no qual vibrações moleculares se tornam suficientemente violentas para quebrar as ligações primárias covalentes. Em adição, termoplásticos são relativamente macios e dúteis. A maioria dos polímeros lineares e aqueles tendo estruturas um pouco ramificadas com cadeias flexíveis são termoplásticos. 
Polímeros termorrígidos se tornam permanentemente duros quando calor é aplicado e não se amolece no subsequente aquecimento. Durante o tratamento térmico inicial, ligações cruzadas covalentes são formadas entre cadeias moleculares adjacentes; estas ligações ancoram as cadeias entre si para resistir aos movimentos vibracional e rotacional de cadeia a altas temperaturas. 
Ligação cruzada é usualmente extensa, no sentido de que 10 a 50% das unidades mero da cadeia são ligadas cruzadamente. Apenas aquecimento até temperaturas excessivas causará a quebra destas ligações cruzadas e a degradação do polímero. Polímeros termorrígidos são geralmente mais duros, mais fortes e mais frágeis, do que os termoplásticos, e têm melhor estabilidade dimensional. A maioria dos polímeros cruzadamente ligados e dos polímeros de rede, que incluem borrachas vulcanizadas, expoxes e resinas fenólicas e poliésteres, são termorrígidas.
As ligações químicas são responsáveis pelas propriedades de condução ou não dos materiais, sendo que um polímero só se torna um condutor quando são removidos elétrons (oxidação) ou quando são adicionados elétrons (redução). Esse processo é denominado de dopagem. Assim, a característica principal dos polímeros semicondutores é a mudança de suas propriedades (óptica e elétrica) em função do seu estado de oxidação. Por exemplo, a mudança de cor conhecida como eletrocromismo é o fenômeno de mudança das propriedades ópticas de um material causado pela aplicação de potencial externo.
 Este fenômeno ocorre em alguns óxidos de metais de transição e em várias substâncias orgânicas e é conseqüência das diferentes propriedades ópticas. [3] As propriedades eletrônicas, singulares aos polímeros eletrônicos, advêm do fato de existir ao longo da cadeia principal a alternância de ligações simples e duplas (polímeros conjugados). Nas ligações simples, a densidade eletrônica entre dois átomos se concentra sobre o eixo que os une e nas ligações duplas a densidade eletrônica também se concentra entre os átomos, mas de um lado e do outro sobre o plano que contém os dois átomos. Essas ligações acabam por gerar uma configuração eletrônica à molécula, abrindo uma região proibida (gap) exatamente no nível de Fermi da distribuição eletrônica; devido à dimerização do sistema (instabilidade de Peierls).
Ao alterar a rota de síntese química do polímero, altera-se o gap do material e, consequentemente, suas propriedades ópticas, tais como, o espectro de absorção, gerando-se novos produtos com propriedades eletrônicas diferentes das originais. No caso dos polímeros conjugados, a absorção da luz pela mmolécula resulta na promoção do elétron de um orbital 4 molecular de mais baixa energia π para um orbital de mais alta energia π∗, ou simplesmente uma transição intrabanda π− π∗ com energia entre 1 a 4 eV (de 1200 a 300nm). 
Os polímeros semicondutores formam uma nova classe de materiais que combinam a flexibilidadee facilidade de processamento típico de polímeros, com propriedades ópticas e eletrônicas de metais e semicondutores. Eles tornam realidade várias aplicações que seriam impossíveis com outros materiais, ou reduzem os custos de produtos já existentes. Exemplos podem ser tão diversos como revestimentos anticorrosivos ou antiestáticos, baterias ultraleves e dispositivos optoeletrônicos flexíveis (lasers, monitores de vídeo coloridos, fotocélulas e fotodetectores de grande área, janelas de transparência controlada, papel de parede luminoso, etc). Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.
Onde um íon Ca+2 substitui um íon Zr+4 e gera um VAZIO de oxigênio.
Com isso os oxigênios podem mover-se em temperaturas baixas quando um campo elétrico é aplicado.