PROPRIEDADES TERMICAS DOS MATERIAIS

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PROPRIEDADES TERMICAS DOS MATERIAIS
Cubo de sílica de isolamento térmico. O interior do cubo está a 1250 °C e pode ser manuseado sem proteção. Usada no isolamento térmico do Space Shuttle
Introdução: Propriedade Térmica é a resposta de um material à aplicação de calor (aumento ou redução de temperatura). Principais propriedades térmicas Capacidade calorífica Expansão térmica Condutividade térmica
À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, a sua temperatura aumenta. O que acontece quando fornecemos calor a um corpo? Variação dimensional Dilatação ou expansão térmica (em aquecimento) Contração (no resfriamento) Calor é absorvido ou transmitido Transformações de fases
Todos os corpos possuem energia interna Esta energia está de certa maneira "armazenada" nos corpos, e vem, entre outras coisas, do movimento ou da vibração dos átomos e moléculas que formam o corpo.
Logicamente este é um exemplo bem simplificado. As vibrações são muito mais rápidas e não ocorrem de maneira tão organizada assim. Nos sólido as moléculas não se locomovem de um lado para outro do material, somente vibram. No caso dos líquidos e gases, as moléculas conseguem, além de vibrar, locomover-se de um lado para o outro, principalmente nos gases.
Capacidade Térmica Molar Esta propriedade representa a capacidade do material de absorver calor do meio circundante. Quantidade de energia (calor) necessária para aumentar em 1 grau a temperatura de 1 mol de um material.
Capacidade Térmica Molar C = capacidade térmica molar (J/mol . K) dQ = variação de energia (J) dT = variação de temperatura (K) C= dQ//dT= Qf-Qi//Tf-Ti=
Calor especifico de uma substância A quantidade de calor que uma substância troca depende da sua massa e da variação de temperatura do ambiente. C= Q//mxT Quantidade de calor, Massa x Variação de temperatura
Os fenômenos de transferência de calor de um corpo podem ser medidos através da equação da calorimetria: Q mcT Q = quantidade de calor (J) m = massa (g) c = calor específico (J/g . K) ΔT = variação de temperatura (K)
Os átomos vibram de forma coordenada, de tal maneira que são produzidas ondas que se propagam. A energia vibracional é quantizada, e um quantum desta energia é chamado fônon. Energia quantizada quer dizer que apenas certos valores de energia são permitidos nesse processo.
O= branca Posição normal dos átomos O=vermelha Posições deslocadas por causa das vibrações
Condução térmica: fenômeno pelo qual o calor é transportado em um material de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura. Condutividade térmica: capacidade de um material conduzir calor. A condutividade térmica pode ser definida da seguinte forma Q//A=-KxdT//dx
Q//A = fluxo de calor K = condutividade térmica dT//dx= gradiente de temperatura 
O calor é transportado de regiões quentes para regiões frias.
Mecanismos de condutividade térmica: Condutividade térmica por elétrons (ke) Os elétrons livres que se encontram em regiões quentes ganham energia cinética e migram para regiões mais frias. Como consequência das colisões, parte da energia cinética dos elétrons livres é transferida para os átomos contidos nessas regiões frias, o que resulta em aumento da temperatura.
Quanto maior a concentração de elétrons livres, maior a condutividade térmica.
Mecanismos de condutividade térmica: Condutividade térmica por fônons (kf) A condução de calor pode ocorrer também através de vibrações da rede atômica.
A condutividade térmica (k) de um material é a soma da condutividade por elétrons (ke) e a condutividade por fônons (kf) k = kf + ke Transporte de calor = Fônons + elétrons livres
Condução de calor em metais Metal = grande número de elétrons livres O transporte eletrônico é muito eficiente! Condutividades entre 20 e 400 W/m-K E quando se trata de uma liga (“impureza”)?
Condução de calor em cerâmicas Cerâmica = isolante (poucos elétrons livres) Condutividade por fônons (pouco eficiente!) Condutividades entre 2 e 50 W/m-K
Condução de calor em polímeros A transferência de calor ocorre através da vibração das moléculas das cadeias. A condutividade depende do grau de cristalinidade. Estruturas mais cristalinas têm maiores condutividades. Polímeros, que, em geral, têm condutividades térmicas da ordem de 0,3 W/m-K e são usados como isolantes térmicos.
Condutividade térmica versus temperatura O aumento da temperatura provoca o aumento da energia dos elétrons e das vibrações da rede cristalina. Maior energia dos elétrons = maior número de portadores = maior condutividade Mais vibração da rede = maior contribuição dos fônons = maior condutividade
Dilatação Térmica Dilatação térmica é o nome que se dá ao aumento do volume de um corpo ocasionado pela aumento de sua temperatura causa o aumento no grau de agitação das moléculas e consequente aumento na distância média entre elas.
Dilatação Térmica Dilatação Linear dos Sólidos: A maioria dos materiais sólidos se expandem no aquecimento e se contraem no resfriamento. A mudança no comprimento de um material sólido ocorre da seguinte maneira:
L L0 T ΔL é a variação do comprimento (em cm) ΔL = LF – L0 ΔT é a variação da temperatura (em °C) ΔT = TF – T0 α é uma constante de proporcionalidade denominada de coeficiente de dilatação linear, e a sua unidade é o °C -1 .
Cada material tem um coeficiente de dilatação linear próprio. O do alumínio, por exemplo, é 24x10-6 °C -1 .
Exemplo de dilatação linear: os fios de telefone ou luz Expostos ao sol nos dias quentes do verão, variam suas temperaturas consideravelmente, fazendo com que o fio se estenda causando um envergamento maior. A mesma coisa acontece com o fio de cabelo quando se utiliza a "chapinha" para alisá-lo. Dizemos que a dilatação provocou um aumento no comprimento.
Nos sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração nas dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e volumétricas. Dilatação Superficial dos Sólidos: Há corpos que podem ser considerados bidimensionais, pois sua terceira dimensão é desprezível frente às outras duas, por exemplo, uma chapa.
Neste caso, a expansão ocorre na área do corpo.
S S0 T ∆S: variação da área da superfície do corpo que sofreu a dilatação superficial (em cm2 ). S0 : área inicial da superfície do corpo (em cm2 ). β: coeficiente de dilatação superficial do material que constitui o corpo (em °C -1 ). ΔT: variação da temperatura (em °C -1 )
É importante saber que o coeficiente de dilatação superficial de um material é igual ao dobro do coeficiente de dilatação linear do mesmo material, ou seja: β = 2α
Dilatação Volumétrica dos Sólidos: É aquela em que predomina a variação em três dimensões, ou seja, a variação do volume do corpo. Imaginemos um paralelepípedo de volume inicial V0 e temperatura inicial T0 . Ao aquecermos este corpo para uma temperatura T ele passará a ter um novo volume V.
V V0 T ΔV = variação volume (em cm3 ) V0 = volume inicial (em cm3 ) ΔT = variação da temperatura (em °C) Ƴ = coeficiente de dilatação volumétrico (em °C -1 ) ƴ = 3α
Coeficiente linear de dilatação térmica Nos metais: varia de 5x10-6 a 25x10-6 (°C -1 ) Nas cerâmicas: varia de 5x10-6 a 15x10-6 (°C -1 ) Nos polímeros: varia de 50x10-6 a 300x10-6 (°C -1 )