Prop termicas

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Chapter 19 -
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• Como os materiais respondem a aplicação do calor?
• Como podemos definir
 -- calor específico?
 -- expansão térmica?
 -- condutividade térmica?
 -- resistência ao choque térmico?
Propriedades Térmicas
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• Quantitativamente: A energia requerida para produzir um aumento unitário na temperatura em um mol de material.
Capacidade Calorífica
(J/mol-K)
Energia requerida (J/mol)
Variação de temperatura (K)
Capacidade Calorífica
Habilidade de um material em absorver calor
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-- aumenta com a temperatura
-- para sólidos Cv atinge um valor limite 3R
• Perspectiva atômica:
 -- Energia é armazenada como vibrações atômicas.
 -- Com o aumento da temperatura, a energia média de vibrações atômicas aumenta.
Dependência da Capacidade calorífica em relação à Temperatura
Adapted from Fig. 19.2, Callister & Rethwisch 8e.
R = constante gases 
3R
 = 8.31 J/mol-K
Cv = constante
Temperatura Debye 
(usualmente menor que Tamb
T (K)
q
D
0
0
Cv
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Vibrações Atômicas
Vibrações atômicas estão sob a forma de ondas ou fônons 
Adapted from Fig. 19.1, Callister & Rethwisch 8e.
Alguns certos valores de energia são permitidos (energia quantizada);
Um único quantum de energia vibracional é chamado de fônon.
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increasing cp
Calor Específico: Comparação
Cp (capacidade calorífica): (J/mol-K)
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Expansão Térmica
Tamanho dos materiais muda quando a temperatura é alterada
Tinitial
Tfinal
 initial
 final
Tfinal > Tinicial
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Perspectiva Atômica: Expansão Térmica
Adapted from Fig. 19.3, Callister & Rethwisch 8e.
Curva assimétrica
 -- aumento temperatura, -- aumenta separação
interatômica -- expansão térmica
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Coeficiente de Expansão Térmica: Comparação
Porque a geralmente diminui com o aumento da força de ligação?
Selected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.
Polímeros tem maior valor  porque tem ligações secundárias fracas - Termoplásticos
Termofixos  diminui
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Exercício
	Um fio de cobre de 15m de comprimento é resfriado de 40 até -9ºC. Qual a mudança no comprimento ele sofrerá?
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Habilidade do material em transportar calor
Gradiente de temperatura
Condutividade térmica (J/m-K-s)
Fluxo de calor
(J/m2-s)
• Perspectiva atômica: Vibrações atômicas e elétrons livres são transportados de regiões mais quentes para regiões mais frias.
T2
 T2 > T1
 
T1
x1
x2
Fluxo de calor
Condutividade Térmica
Lei de Fourier
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Condutividade Térmica: Comparação
• Metals
Vibrações atômicas e movimento dos elétrons livres
k (W/m-K)
Energy Transfer Mechanism
Material
Selected values from Table 19.1, Callister & Rethwisch 8e.
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• Ocorrem devido a:
     - expansão / contração térmica é restringido – suporte rígido nas extremidades
     - os gradientes de temperatura que levam a alterações dimensionais
Tensões Térmicas
Tensão térmica

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 - Uma haste de bronze está à temperatura ambiente (20ºC) sem tensão.
     - Ela é aquecido, mas impedido de alongamento.
     - A que temperatura é que a tensão chega a -172 MPa?
 
Exercício
T0
 0
Condições originais
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• Ocorrem quando: aquecimento/resfriamento não uniforme
 Ex: Camada fina superior é resfriada rapidamente de T1 para T2
Desenvolve uma tensão na superfície
Resistência ao choque térmico
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• Aplicações:
Space Shuttle Orbiter
• Silica tiles (400-1260ºC):
-- aplicação larga escala
-- microestrutura:
Fig. 19.2W, Callister 6e. (Fig. 19.2W adapted from L.J. Korb, C.A. Morant, R.M. Calland, and C.S. Thatcher, "The Shuttle Orbiter Thermal Protection System", Ceramic Bulletin, No. 11, Nov. 1981, p. 1189.)
Fig. 19.3W, Callister 5e. (Fig. 19.3W courtesy the National Aeronautics and Space Administration.)
Fig. 19.4W, Callister 5e. (Fig. 219.4W courtesy Lockheed Aerospace Ceramics
Systems, Sunnyvale, CA.)
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100 mm
Chapter-opening photograph, Chapter 23, Callister 5e (courtesy of the National Aeronautics and Space Administration.)
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