cap7 - Superfícies e interfaces

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Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Maria Teresa Paulino Aguilar 
Universidade Federal de Minas Gerais
Superfície e Interfaces
Capítulo 7
Livro: Materiais de Construção Civil 
Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Uma interface é a superfície ao longo da qual duas
substâncias (folha em contato com a água), ou fases
distintas de um mesmo material (um líquido em contato
com seu próprio vapor), ou duas fases sólidas de um
material polifásico (ferrita e cementita dos aços) se
encontram.
Conceituação
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•Figura 1 – Superfície entre (a) duas substâncias(água e a folha) e entre (b) duas fases de uma 
mesma substância (argamassa com identificação das fases presentes por difratometria).
 
•(a)
•(b)
Conceituação
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contornos 
de grão 
contornos 
de macla 
300x 
Figura 2 – Superfícies entre regiões de orientações cristalográficas diferentes (a) contornos de grão e 
(b) contornos de macla em um aço inoxidável.
Conceituação
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Caracterização
• As superfícies têm sempre um comportamento diferente
daquele que é apresentado pelo interior do volume
considerado.
•Figura 3 – Representação esquemática dos átomos no interior e na superfície de um sólido cuja 
estrutura do arranjo atômico é hexagonal compacta.
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Caracterização
• Energia de superfície ou energia interfacial
dw = γ dA
trabalho reversível à temperatura constante (dw) necessário para 
aumentar de uma grandeza infinitesimal dA a área superficial
γsv-ferro = 0,3 J.m
-2 
a energia em excesso poder ter menores valores se a área de contato 
entre dois materiais ou fases diminuir
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Caracterização
• Tensão superficial
• tendência natural de tornar mínima a energia de superfície
pela minimização da área superficial (N.m-2)
• sob temperatura constante:
• para líquidos e gases a tensão superficial (N.m-2) é numericamente
igual ao aumento da energia superficial com o aumento da área
(J.m-2)
• nos sólidos a energia de superfície e a tensão superficial não são
exatamente as mesmas.
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Caracterização
• Medidas experimentais
• medidas precisas em interfaces envolvendo sólidos são
difíceis e podem ser feitas considerando-se
• o número e a energia das ligações que devem ser rompidas
para formar a superfície,
• o calor de dissolução de pós finos de tamanho conhecido,
• um monocristal na forma de um fio fino sustentando uma
massa em temperaturas próximas do ponto de fusão do fio.
• a medida em fases com mobilidade se dá a partir de
considerações sobre o equilíbrio de forças que atuam na
superfície
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Considerações termodinâmicas
• Energia livre total do sistema supondo que a energia de deformação é
desprezível:
E  Ev V  EA A 
• para um sistema de dois componentes:
E  Ev1 V1 + Ev2 V2  EA A 
 
r1 
fase 1 
fase 2 
fase 2 
fase 1 
r2 
r1 = r2 = 0 
•Figura 4 – Representação (a) de uma superfície esférica com raios de curvatura principais r1 e r2, 
e (b) de uma superfície plana, r1 = r2 = 0. 
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•movimento da interface
•variação de área
variação de pressão
equação de Laplace,
•p2 = p1 + 2γ (1/r1 + 1/r2)
a pressão dentro de uma fase cuja superfície é convexa é maior que a 
pressão exterior
Considerações termodinâmicas
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Efeitos tensoativos e eletrocinéticos
dw = γ dA 
• Tendências naturais das superfíçies:
• diminuição de área e dissolução de outros átomos ou moléculas
efeitos tensoativos
adsorção
• de se carregar eletricamente, sendo que a mobilidade dos íons,
sob a ação de um potencial elétrico externo, depende das
interações entre os íons e a superfície
efeitos eletrocinéticos
formação da camada dupla e à ocorrência do potencial zeta 
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Adsorção
• fenômeno de segregação de vários componentes na direção da
superfície ou em direção contrária, de modo a reduzir a energia
superficial ao aumentar a energia de ligação dos átomos da
superfície.
• equação de adsorção de Gibbs:
dγ = ∫d lnp 
• tipos de adsorção:
• física
• química
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1 
volume de vapor 
adsorvido 
(Rr) 
pressão de vapor relativa (p) 
•Figura 5 - Isoterma de Langmuir.
• isoterma de adsorção
• isoterma de Langmuir
• isoterma de BET
Rr = 
Kp / (1 + K 
p)
Adsorção
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A camada dupla e o potencial zeta
•Figura 6 - Variação do potencial zeta em camada 
dupla condensada e difusa.
 
distância da superfície da partícula 
potencial 
superficial 
potencial 
 zeta 
camada de Stern 
camada difusa 
solução 
partícula 
dupla camada 
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Fenômenos de superfície
• Molhamento
• Trabalho de adesão
••
q•g•sv • g•lv•
g•sl•
q•
g•sv •
g•lv•
g•sl•
q•
g•sv •
g•lv•
g
•sl
•
•
γsv  γlv + γsl
wad = γsv+ γlv - γsl
Figura 7 – Definição do molhamento de uma superfície e do ângulo θ entre líquido e uma superfície 
sólida plana.
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• Capilaridade e permeabilidade
• capilares verticais
• capilares horizontais
equação de Laplace:
Fenômenos de superfície
h = 2 γlv cosθ / (ρ g rt ) 
se um líquido molha um sólido poroso, a 
pressão de vapor do líquido em um poro 
capilar é menor do que fora dele
•Figura 8 –Fenômeno de capilaridade de um tubo aberto e 
um tubo mergulhado em um recipiente com líquido.
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• União de superfícies sólidas através de películas líquidas
F = 2γA / d 
para uma união adequada, ao longo de uma determinada área de 
contato, é necessário alta tensão superficial e espaço capilar entre 
duas placas 
• União de partículas finas promovidas por um meio aquoso
Pad = 4πγ (r1 + r2 ) 
Fenômenos de superfície
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Fenômenos de superfície
• Materiais metálicos
• Resistência mecânica
σ = σo + k dg
-1/2
• Energia de falha de empilhamento
EDEaço inoxidável ≈ 19 mJ.m-2
EDEalumínio ≈ 163 mJ.m-2
• Nucleação e crescimento de fases sólidas
• Forma e distibuição das fases sólidas
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Figura 9 - Microestrutura dos ferros fundidos (a) cinzento e (b) nodular (cortesia do SENAI/CETEF).
 
350x 350x 
Fenômenos de superfície
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• Compósitos para fins estruturais
• a interface é responsável pela transmissão de tensões da matriz
para os agentes de reforço;
• a interface é comumente o local de penetração de substâncias
deletérias, como a água;
• as propriedades dos compósitos, de modo geral, dependem da
morfologiada interface e da composição dos constituintes:
• concretos reforçados com fibras curtas de aço apresentam
comportamento mecânico distinto dos reforçados com fibras longas;
• a utilização de fibras poliméricas curtas em concreto afeta as
características de retração por secagem, enquanto o uso de fibras
curtas de aço torna o composto mais tenaz;
• interfaces autoregeneradoras.
Fenômenos de superfície