propriedades dos materiais

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Propriedades dos Materiais
Principais propriedades dos Materiais
„ Propriedades físicas – densidade, calor 
específico, coeficiente de expansão térmica, 
condutividade térmica
„ Propriedades mecânicas – tensão de 
escoamento, resistência mecânica, 
ductibilidade e tenacidade
ƒCor
ƒTextura
ƒSensação táctil
Estética
ƒFacilidade no processamento
ƒUnião
ƒAcabamento
Produção
ƒOxidação
ƒCorrosão
ƒDesgaste
Interação ambiental
ƒResistividade
ƒConstante dielétrica
ƒPermeabilidade manética
Elétrica
ƒCondutividade térmica
ƒCalor específico
ƒCoeficiente de expansão térmica
Térmica
ƒMódulo de elasticidade
ƒResistência à deformação e a tração
ƒDureza
ƒTenacidade à fratura
ƒLimite de fadiga
ƒLimite de resistência à deformação a quente
ƒCaracterística de amortecimento
Mecânica
DensidadeFísica geral
ƒPreço e disponibilidade
ƒCapacidade de reciclagem
Aspecto econômico
Exemplos de seleção de materiais
„ Chave de fenda típica
‰ Haste e ponta de aço carbono
„ Alto módulo de elasticidade
„ Alta resistência plástica
„ Dureza
„ Alta tenacidade a fratura
‰ Cabo da chave de fenda de PMMA
„ Alto coeficiente de atrito
„ Facilidade de fabricação
„ Aparência
„ Baixa densidade
„ Preço razoável
Densidade (massa específica)
„ É uma propriedade muito importante no 
contexto da previsão dos índices de mérito;
„ Relaciona massa por volume (Kg/m3);
„ Está relacionado com tamanho e peso dos 
átomos e tipo de ligação química
„ Métodos de determinação da densidade
Principais propriedades mecânicas
„ Resistência mecânica
„ Elasticidade
„ Ductilidade
„ Tenacidade
Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita
Como determinar as propriedades
mecânicas?
„ A determinação das propriedades mecânicas é feita 
através de ensaios mecânicos.
„ Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra 
representativa do material) para o ensaio mecânico, já
que por razões técnicas e econômicas não é
praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria 
o ideal.
„ Geralmente, usa-se normas técnicas para o 
procedimento das medidas e confecção do corpo de 
prova para garantir que os resultados sejam 
comparáveis.
Ensaio de tração
„ É medida submetendo-se o material à uma carga ou 
força de tração, gradativamente crescente, que 
promove uma deformação progressiva de aumento 
de comprimento
„ Filme ensaio de tração polipropileno
Resitência à tração tensão (σ) X deformação (ε)
Tensão σ = F/Ao Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Deformação(εε))= lf-lo/lo= Δl/lo
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
Força ou carga
Área inicial da seção reta transversal
Comportamento dos metais quando
submetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: σσ = E εε
Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
„ Prescede à deformação plástica
„ É reversível
„ Desaparece quando a tensão é
removida
„ É praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
„ É provocada por tensões que ultrapassam
o limite de elasticidade
„ É irreversível porque é resultado do 
deslocamento permanente dos átomos e 
portanto não desaparece quando a tensão
é removida
Elástica
Plástica
Módulo de elasticidade ou Módulo de 
Young
E= σσ/ / εε =Kgf/mm=Kgf/mm22
• É o quociente entre a tensão
aplicada e a deformação
elástica resultante.
•Está relacionado com a rigidez
do material ou à resist. à
deformação elástica
•Está relacionado diretamente
com as forças das ligações
interatômicas
Lei de Hooke: σσ = E εε
P A lei de Hooke só éválida até este ponto
Módulo de Elasticidade para alguns
metais
MÓDULO DE ELASTICIDADE
[E]
GPa 106 Psi
Magnésio 45 6.5
AlumÍnio 69 10
Latão 97 14
Titânio 107 15.5
Cobre 110 16
Níquel 207 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
Comportamento não-linear
„ Alguns metais como ferro
fundido cinzento, concreto e 
muitos polímeros
apresentam um 
comportamento não linear 
na parte elástica da curva
tensão x deformação
Considerações gerais sobre módulo de 
elasticidade
„ Como consequência do módulo de elasticidade
estar diretamente relacionado com as forças
interatômicas:
‰ Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, 
enquanto os materiais poliméricos tem baixo
‰ Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade
diminui
Módulo de elasticidade
„ Se barras de seções transversais idênticas 
forem suportadas por dois apoios bem 
espaçados e então pesos idênticos forem 
aplicados a seus centros elas se curvarão 
elasticamente
„ Grau de flexão pode ser muito diferente 
dependendo do material – MÓDULO DE 
ELASTICIDADE
O fenômeno de escoamento
„ Esse fenômeno é nitidamente observado em 
alguns metais de natureza dúctil, como aços 
baixo teor de carbono.
„ Caracteriza-se por um grande alongamento 
sem acréscimo de carga.
Tensão de escoamento
σy= tensão de escoamento 
(corresponde a tensão máxima 
relacionada com o fenômeno de 
escoamento)
• De acordo com a curva “a”, onde não observa-
se nitidamente o fenômeno de escoamento
•Alguns aços e outros materiais exibem o 
comportamento da curva “b”, ou seja, o limite 
de escoamento é bem definido (o material 
escoa- deforma-se plasticamente-sem 
praticamente aumento da tensão). Neste caso, 
geralmente a tensão de escoamento 
corresponde à tensão máxima verificada durante 
a fase de escoamento
Escoamento
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
ResistênciaResistência àà TraTraççãoão
(Kgf/mm(Kgf/mm22))
„ Corresponde à tensão máxima
aplicada ao material antes da 
ruptura
„ É calculada dividindo-se a carga
máxima suportada pelo material 
pela área de seção reta inicial
TensãoTensão de de RupturaRuptura (Kgf/mm(Kgf/mm22))
„ Corresponde à tensão que
promove a ruptura do material
„ O limite de ruptura é geralmente
inferior ao limite de resistência
em virtude de que a área da 
seção reta para um material 
dúctil reduz-se antes da ruptura
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
DuctibilidadeDuctibilidade -- Corresponde ao
alongamento total do material 
devido à deformação plástica
%alongamento= (lf-lo/lo)x100
onde lo e lf correspondem ao
comprimento inicial e final (após a 
ruptura), respectivamente
ductilidade
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
Outras informações que podem ser obtidas das 
curvas tensãoxdeformação
ResiliênciaResiliência
„ Corresponde à capacidade do 
material de absorver energia
quando este é deformado
elasticamente
„ A propriedade associada é dada 
pelo módulo de resiliência (Ur)
Ur= σesc2/2E
„ Materiais resilientes são aqueles
que têm alto limite de elasticidade e 
baixo módulo de elasticidade
(como os materiais utilizados para
molas)
σesc
Deformação 
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
T
e
n
s
ã
o
 
(
1
0
3
p
s
i
)
Plástico
Elastômero
Frágil
Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
Limite de resistência
à tração
Propriedades mecânicas de polímeros 
Tensão x Deformação
Deformação
T
e
n
s
ã
o
Limite de resistência à tração
Limite de escoamento
Deformação em polímeros 
plásticos e frágeis 
ruptura frágil
ruptura plástica 
x
deslizamento das
regiões cristalinas
estrutura 
fibrilar
próximo à ruptura
alinhamento das
regiões cristalinas
próximo à ruptura
polímeros
semicristalinos alongamento
das regiões
amorfas
Carga/descarga
Estrutura inicial
estrutura
em rede
estruturalinear
x
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
Deformação
Deformação em polímeros 
plásticos e frágeis 
Deformação
T
e
n
s
ã
o
 
Limite de
escoamento
A deformação é confinada ao pescoço! 
Início da formação
do pescoço
Comportamento tensão-deformação 
materiais cerâmicos
„ Não é avaliado por ensaio de tração:
‰ É difícil preparar e testar amostras que possuam 
a geometria exigida;
‰ É difícil prender e segurar materiais frágeis;
‰ As cerâmicas falham após uma deformação de 
apenas 0,1%, o que exige que os corpos de 
prova estejam perfeitamente alinhados.
Resistência à flexão
 
a 
L
a
b 
d
Flexão com 3 pontos
D 
X-Section
F Filme do ensaio 
de flexão
Comportamento elástico
0.00100.00080.00060.00040.00020.0000
0
100
200
300
Bending Strain
B
e
n
d
i
n
g
 
S
t
r
e
s
s
,
 
M
P
a
Aluminum Oxide
Soda-Lime Glass
Resistência ao impacto
Resistência aos Impacto
„ A capacidade de um determinado material de 
absorver energia do impacto está ligada à sua 
tenacidade, que por sua vez está relacionada com a 
sua resistência e ductilidade
„ O ensaio de resistência ao choque dá informações 
da capacidade do material absorver e dissipar essa 
energia
„ Como resultado do ensaio de choque obtém-se a 
energia absorvida pelo material até sua fratura, 
caracterizando assim o comportamento dúctil-frágil 
Ensaios de impacto
Filme do ensaio de impacto (Izod e queda de dardo)
TÉCNICAS DE ENSAIO DE IMPACTO
„ Técnica CHARPY;
„ Técnica IZOD;
„ Diferença principal, é a maneira que os corpos de prova estão 
sustentados na máquina e a aplicação da força;
„ Ambos os corpos de prova são padronizados e providos de um 
entalhe para localizar a ruptura e o estado triaxial de tensões;
PROCEDIMENTOS
„ O pêndulo é elevado a uma certa altura de onde é solto, ao se chocar 
com o corpo de prova ele segue até uma altura final.
„ O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a 
altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, 
„ Esta diferença de altura é convertida em unidades de energia
„ Quanto menor for a altura final, mais energia foi absorvida pelo corpo 
de prova evidenciando seu caráter mais dúctil.
NORMAS DOS ENSAIOS
„ Os corpos de prova são especificados pela norma americana E-
23 da ASTM(17);
„ Divisão dos corpos de forma com relação ao seu formato; 
Curva resposta do ensaio de choque
„ O ensaio de 
resistência ao 
choque caracteriza 
o comportamento 
dos materiais 
quanto à transição 
do comportamento 
dúctil para frágil 
em função da 
temperatura
Polímeros
„ São frágeis à baixas 
temperaturas porque a 
rotação dos átomos na 
molécula requer 
energia térmica
„ A maioria dos 
polímeros apresentam 
transição dúctil-frágil 
que é geralmente 
abaixo da ambiente
Materiais cristalinos
„„ MATERIAIS CFCMATERIAIS CFC --
Permanecem dúcteis (não 
apresenta transição dúctil-
frágil) porque nesta estrutura 
há muitos planos de 
escorregamento disponíveis
„„ MATERIAIS CCC MATERIAIS CCC --
Apresentam uma transição de 
frágil para dúctil em função da 
temperatura
Fratura
Fratura
„ Consiste na separação do material em 2 ou mais 
partes devido à aplicação de uma carga estática à
temperaturas relativamente baixas em relação ao 
ponto de fusão do material
Fratura
„ Dúctil → a deformação plástica continua até uma 
redução na área para posterior ruptura 
„ Frágil→ não ocorre deformação plástica, requerendo 
menos energia que a fratura dúctil que consome 
energia para o movimento de discordâncias e 
imperfeições no material
Fratura
Fraturas dúcteis
Fratura frágil
Fratura dúctil - aspecto macroscópico
Mecanismo da fratura dúctil
a- formação do pescoço
b- formação de cavidades
c- coalescimento das 
cavidades para 
promover uma trinca 
ou fissura
d- formação e 
propagação da trinca 
em um ângulo de 45 
graus em relação à
tensão aplicada
e- rompimento do 
material por 
propagação da trinca
Fratura dúctil - aspecto microscópico
Fratura frágil - aspecto macroscópico
A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trinca
que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão
Fratura frágil - aspecto macroscópico
Início da fratura por formação de trinca
Fratura transgranular e intergranular
TRANSGRANULAR INTERGRANULAR
A fratura passa através do grão
A fratura se dá no contorno de grão
Fratura Frágil
Mesmo um produto ou estrutura bem projetada que 
evite deflexão elástica excessiva pode sofrer uma falha 
catastrófica por fratura frágil, causada pelo 
crescimento (na velocidade do som) de uma trinca pré-
existente, que se tornou instável.
Tenacidade a fratura
„ Modelo de Griffith:
‰ Todos os materiais contêm trincas ou defeitos.
‰ O fator de intensidade de tensão K pode ser 
calculado para vários casos particulares de 
configurações de trinca ou de cargas.
‰ A falha ocorre quando K excede o valor crítico do 
material 
‰ Kc ou KIC tenacidade à fratura (MN m-3/2)
‰ Gc tenacidade (ás vezes, taxa de liberação de 
energia de deformação crítica) (kJ m-2)
cc EGaK == πσ
Fluência
Fluência (creep)
„ Quando um metal é solicitado por uma carga, 
imediatamente sofre uma deformação elástica. Com 
a aplicação de uma carga constante, a deformação 
plástica progride lentamente com o tempo (fluência) 
até haver um estrangulamento e ruptura do material
„ Velocidade de fluência (relação entre deformação 
plástica e tempo) aumenta com a temperatura
„ Esta propriedade é de grande importância 
especialmente na escolha de materiais para operar 
a altas temperaturas
Fluência (Creep)
„ Fluência é definida como a deformação 
permanente, dependente do tempo e da 
temperatura, quando o material é submetido à
uma carga constante
„ Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de 
um determinado componente ou estrutura
„ Este fenômeno é observado em todos os 
materiais, e torna-se importante à altas 
temperaturas (≥0,4TF)
Fatores que afetam a fluência
„ Temperatura
„ Módulo de elasticidade
„ Tamanho de grão
Em geral:
Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de 
elasticidade e maior é a resist. à
fluência.
Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à
fluência.
Ensaio de fluência
„ É executado pela aplicação de 
uma carga uniaxial constante a 
um corpo de prova de mesma 
geometria dos utilizados no 
ensaio de tração, a uma 
temperatura elevada e constante
„ O tempo de aplicação de carga é
estabelecido em função da vida 
útil esperada do componente
„ Mede-se as deformações 
ocorridas em função do tempo (ε
x t)
Curva ε x t
Fadiga
Fadiga
„ É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas 
estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas 
„ Nessas situações o material rompe com tensões 
muito inferiores à correspondente à resistência à
tração (determinada para cargas estáticas)
„ É comum ocorrer em estruturas como pontes, 
aviões, componentes de máquinas
„ A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil 
mesmo em materiais dúcteis. 
Fadiga
„ A fratura ou rompimento do material por fadiga 
geralmente ocorre com a formação e propagação 
de uma trinca.
„ A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição 
estrutural ou de composição e/ou de alta
concentração de tensões (que ocorre geralmente na 
superfície)
„ A superfície da fratura é geralmente perpendicular à
direção da tensão à qual o material foi submetido
Fadiga
„ Os esforços alternados que podem levar à fadiga 
podem ser:
‰ Tração
‰ Traçãoe compressão
‰ Flexão
‰ Torção,...
A curva σ-n representa a tensão versus número de ciclos 
para que ocorra a fratura.
Normalmente para n utiliza-se escala logarítmica
Limite de resistência à
fadiga (σRf): em 
certos materiais 
(aços, titânio,...) 
abaixo de um 
determinado limite de 
tensão o material 
nunca sofrerá ruptura 
por fadiga.
Para os aços o limite de 
resistência à fadiga 
(σRf) está entre 35-
65% do limite de 
resistência à tração.
Resistência à fadiga
(σf): em alguns 
materiais a tensão na 
qual ocorrerá a falha 
decresce 
continuamente com o 
número de ciclos 
(ligas não ferrosas: 
Al, Mg, Cu,...). 
Nesse caso a fadiga é
caracterizada por 
resistência à fadiga
Principais resultados do ensaio de fadiga
„ Vida em fadiga (Nf): corresponde ao 
número de ciclos necessários para ocorrer 
a falha em um nível de tensão específico.
Fatores que influenciam a vida em fadiga
„ Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva 
a uma diminuição da vida útil
„ Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agudo e 
demais descontinuidades podem levar a concentração de 
tensões e então a formação de trincas) e tratamentos 
superficiais (polimento, jateamento, endurecimento 
superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)
„ Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na 
temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de 
corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)
Dureza
Definição de dureza
„ É a medida da resistência de um material a 
uma deformação localizada (por exemplo, 
uma pequena impressão ou um risco)
„ Vantagens:
‰ São simples e barato
‰ ensaio é não destrutivo
‰ Outras propriedades mecânicas podem ser 
estimadas
BorrachasIRHD
Alumínio, Borrachas, Couro, ResinasBarcol
Polímeros, Elastômeros, BorrachasShore
Metais, CerâmicasKnoop
Metais, CerâmicasVickers
MetaisMeyer
MetaisRockwell
MetaisBrinell
MateriaisDureza
Método Brinell (HB)
A dureza por penetração proposta por J.A. Brinell
em 1900, denominada Dureza Brinell e simbolizada 
por HB, é o tipo de dureza mais usado até os dias de 
hoje na engenharia
O ensaio de dureza Brinell consiste em 
comprimir lentamente uma esfera de diâmetro 
“D” sobre uma superfície plana, polida e limpa 
de um metal, através de uma carga “Q” durante 
um tempo “T”.
Força Q
Ø da esfera
Cavidade permanente 
causado pela esfera
2QHB
π
„ O diâmetro do penetrador de aço endurecido 
(ou carbeto de tungstênio) é de 10,00mm;
„ As cargas variam entre 500 e 3000Kg
„ Durante o ensaio a carga é mantida 
constante por um tempo específico (entre 10 
e 30s)
D
d
h
Símbolos Descrição Unidade
D Diâmetro Nominal da Esfera mm
F Força de Ensaio N
d Diâmetro da Impressão na Peça mm
HB Dureza Brinell ---
h Profundidade da Calota Esférica mm
G Grau de Carga N/mm2
D1
D1
G
Para alguns materiais, a resistência à tração pode 
ser estimada a partir da dureza Brinell pela 
relação σt = k x HB
Material Aço-
carbono
Aço-liga Cobre, latão Bronze
laminado
Bronze
fundido
k 0,36 0,34 0,40 0,22 0,23
Material Liga Al Cu 
Mg
Liga Al Mg Outras ligas 
Mg
Alumínio 
fundido
K 0,35 0,44 0,43 0,26
A tabela abaixo dá alguns valores de k. 
Para medir durezas muito elevadas (superiores a 
400 HB) não nos podemos contentar com o 
método de Brinell; mesmo com uma esfera muito 
dura, a depressão é demasiado pequena e a esfera 
deforma-se. Recorre-se a outros métodos de 
ensaio: Vickers e Rockwell.
Método Rockwell (HR)
É um ensaio no qual utiliza-se um durômetro
Rockwell, aferido, aplicando-se forças de ensaios 
específicos, em duas operações, através de um 
penetrador esferocônico de diamante ou esférico de 
aço endurecido, medindo no material a ensaiar o 
incremento permanente da profundidade da 
impressão, sob uma força menor inicial, depois de 
aplicar e retirar uma força complementar 
54 HRC – dureza Rockwell 54 escala C
64 HRA – dureza Rockwell 64 escala A
92 HRB – dureza Rockwell 92 escala B
Exemplo
150Esfera de 1/8"K
60Esfera de 1/8"H
150Esfera de 1/16"G
60Esfera de 1/16"F
100Esfera de 1/8"E
100Cone de DiamanteD
150Cone de DiamanteC
100Esfera de 1/16"B
60Cone de DiamanteA
Carga Principal (kgf)PenetradorSímbolo
É um ensaio no qual se utiliza um Microdurômetro, 
aferido, aplicando-se forças de ensaio específicas, 
através de um penetrador cônico com ponta de diamante. 
O ensaio consiste em imprimir num corpo de prova um 
penetrador cônico, sob ação de uma força "F", e medir o 
comprimento da diagonal “d” produzida.
Dureza Vickers
A dureza Vickers é o quociente da força de 
ensaio “Q” pela área “A” da diagonal "d" 
produzida, conforme a expressão:
⇒
Onde: 
HV = Dureza Vickers
Q = Força de Ensaio (N)
d = Média aritmética do comprimento 
d
Q
HV 2
2
136sen2
102,0 ×=
d
QHV
2
8544,1=
A impressão Shore é pequena e serve para medir 
durezas de peças já acabadas ou usinadas. A máquina 
shore é leve, portátil e pode, portanto, ser adaptada em 
qualquer lugar, podendo com isso, medir a dureza de 
peças muito grandes, impossíveis de serem colocadas 
nas máquinas de dureza por penetração, como por 
exemplo cilindros de laminação.
Dureza Shore
DUROMETRO SHORE MANUAL
(ANALÓGICO)
DUROMETRO SHORE MANUAL
(DIGITAL)
Propriedades Térmicas
Condutividade Térmica (k)
„ é uma propriedade física dos materiais que 
descreve a habilidade dessa de conduzir 
calor. 
„ Equivale a quantidade de calor Q transmitida 
através de uma espessura L, numa direção 
normal a superfície de área A, devido ao 
gradiente de temperatura ΔT.
0,020Espuma de poliuretano
0,026Ar
0,033Espuma de poliestireno
0,046Fibra de vidro
0,11 - 0,14Madeira (pinho)
0,4 - 0,8Tijolo
0,61Água
0,72 - 0,86Vidro
80,3Ferro
178Tungsténio
237Alumínio
398Cobre
426Prata
Condutividade térmica (W/m°C)Material
Dilatação Térmica
„ Dilatação térmica é o aumento do volume
de um corpo ocasionado pelo seu 
aquecimento. 
Substância α (mín.) α (máx.) Gama de temperaturas 
Gálio 120,0 
Índio 32,1 
Zinco e suas ligas 35,0 19,0 100ºC-390°C 
Chumbo e suas ligas 29,0 26,0 100ºC-390°C 
Alumínio e suas ligas 25,0 21,0 100ºC-390°C 
Latão 18,0 21,0 100ºC-390°C 
Prata 20,0 100ºC-390°C 
Aço inoxidável 19,0 11,0 540ºC-980°C 
Cobre 18,0 14,0 100ºC-390°C 
Níquel e suas ligas 17,0 12,0 540ºC-980°C 
Ouro 14,0 100ºC-390°C 
Aço 14,0 10,0 540ºC-980°C 
Betão(concreto)[3] 6,8 11,9 Temp. ambiente 
Platina 9,0 100ºC-390°C 
Vidro(de janela)[4] 8,6 20ºC-300ºC 
Crómio 4,9 
Tungsténio 4,5 Temp. ambiente 
Vidro Pyrex[5] 3,2 20ºC-300ºC 
Carbono e Grafite 3,0 2,0 100ºC-390°C 
Silício 2,6 
Quartzo fundido [6] 0,6 
Determinação α
„ Dilatômetro
Capacidade calorífica e Calor específico
„ Capacidade calorífica - taxa de absorção de 
calor necessária para aumentar a 
temperatura