Propriedades Térmicas

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INTRODUÇÃO
Resposta ou reação de um material à aplicação do calor.
Sólido absorve energia em forma de calor: aumento da temperatura, da energia interna e das dimensões
Dois principais tipos de energia térmica em um sólido:
		Energia Térmica Vibracional e Energia Cinética: 
 Energia Térmica Vibracional: átomos vibram ao redor de suas posições de equilíbrio 
principal forma de assimilação de energia térmica 
vibrações de átomos adjacentes acoplados entre si (ligações atômicas) 
conjunto de ondas elásticas em uma faixa de frequências 
somente alguns valores de energia são permitidos
energia quantizada → fônon (ondas de vibração da rede cristalina)
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 Energia Cinética: elétrons livres
 Contribuição eletrônica → é significativa em materiais com elétrons livres. 
 Como ocorre: absorção de energia pelos elétrons aumentando a energia cinética.
INTRODUÇÃO
Representação esquemática da geração de ondas na rede cristalina por vibrações atômicas 
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Sólidos : Aumento de dimensões durante o aquecimento e contração no resfriamento, se não ocorrer transformação de fases.
 Coeficiente de dilatação térmica linear:
L = coeficiente linear de expansão térmica [(oC)-1]
 Coeficiente de dilatação térmica volumétrica:
v = coeficiente volumétrico de expansão térmica [(oC)-1]
DILATAÇÃO OU EXPANSÃO TÉRMICA
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FATORES QUE INFLUENCIAM A DILATAÇÃO TÉRMICA
↑ temperatura: ↑ separação interatômica 
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Coeficientes de dilatação variam nas classes de materiais 
	
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CONDUTIVIDADE TÉRMICA
K = kr + ke
kr = condutividade térmica devido à vibração da rede cristalina
Ke = condutividade devido aos elétrons
K é proporcional a:
n = número de elétrons livres
V = velocidade média das partículas
cv = calor específico (variação térmica do material ao receber determinada quantidade de calor – J/Kg.K)
	Uma ou outra forma pode ser a predominante
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CONDUTIVIDADE TÉRMICA (k) X TEMPERATURA
Para muitos materiais, a condutividade térmica varia linearmente com a temperatura:
K = Ko (1 + βT)
Ko : condutividade quando a temperatura é zero;
β: constante que depende do material
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CONDUTIVIDADE TÉRMICA (k) X TEMPERATURA
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Para materiais cerâmicos e poliméricos a principal fonte de condutividade térmica envolve vibrações atômicas.
↑ T = ↑ desordem na rede cristalina
Aumento de k em alguns materiais cerâmicos a altas T = transferência de calor radiante
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CONDUTIVIDADE TÉRMICA (k) X COMPOSIÇÃO DA LIGA
Desordem causada por impurezas na rede cristalina interferem na condutividade térmica que envolve vibrações atômicas e condução por elétrons livres.
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Condutividade térmica
Calor específico
Coef. dilat. térmica
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TENSÃO TÉRMICA
Tensão induzida como resultado de variações na temperatura.
Podem levar à fratura ou deformação plástica.
Tensão resultante da restrição de expansão ou contração:
 Corpo sólido aquecido ou resfriado de maneira uniforme: expansão ou contração livres.
 Se o movimento axial é restringido por meio de suportes rígidos nas extremidades  TENSÕES TÉRMICAS (ou stress térmico)
		 = E l (To – Tf) = E l T 
E = módulo de elasticidade
l = coeficiente linear de expansão térmica
Tf  To    0 tensão de compressão
Tf  To    0 tensão de tração
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Tensão resultante de gradiente de temperatura:
 Corpo sólido aquecido ou resfriado: distribuição interna de temperatura dependente de: tamanho, forma, condutividade térmica do material e taxa de variação da temperatura.
 Tensões podem ser geradas pelo rápido aquecimento ou resfriamento do material:
	 mudança de temperatura da parte exterior é mais rápida do que no interior do material 
	 variações diferenciais nas dimensões restringem a livre expansão ou contração de parte do material no interior do corpo sólido. 
Ex: Processo de aquecimento  maior expansão da parte exterior  tensões superficiais de compressão e tensões internas de tração.
As condições de tensão interior-exterior se invertem em casos de resfriamento rápido.
TENSÃO TÉRMICA
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Choque térmico
 No caso de polímeros ou metais dúcteis, o alívio de tensões termicamente induzidas pode ser realizado através de deformação plástica do material.
 Em materiais frágeis pode ocorrer fratura frágil a partir dessas tensões.
 Mais provável o choque térmico por resfriamento rápido de material frágil  tensões de tração (maior facilidade de formação e propagação de trincas a partir de defeitos na superfície).
TENSÃO TÉRMICA
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Resistência ao choque térmico: 
 Capacidade do material resistir a este tipo de falha.
 Depende de: magnitude da variação da temperatura e das propriedades térmicas e mecânicas.
 É maior no caso de materiais cerâmicos com:
	elevada resistência à fratura (f) 	elevada condutividade térmica 	baixo módulo de elasticidade 	baixo coeficiente de expansão térmica
TENSÃO TÉRMICA
RCT  f k / E l
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Prevenção contra choque térmico 
Alteração das condições externas (minimização do gradiente de temperatura)
 Modificações das características térmicas e/ou mecânicas. Por exemplo, pela modificação e controle do coeficiente de expansão térmica.
Ex: Vidros de cal de soda comuns (l  9 x 10-6 (oC)-1) suscetíveis a choque térmico
  redução dos teores de CaO e Na2O e aumento de B2O3 (suficiente para formar vidro borossilicato (Pyrex)
  redução para l  3 x 10-6 (oC)-1
  Material apto a ser submetido a ciclos de resfriamento e aquecimento
 Outra opção: introdução de poros grandes ou introdução de segunda fase dúctil (impedem a propagação de trincas termicamente induzidas).
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1. Para uma liga de bronze, a tensão na qual a deformação plástica tem início é de 275 MPa, e o módulo de elasticidade é de 115 GPa.
Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um corpo de prova com uma área de seção reta de 325 mm2 sem que ocorra deformação plástica?
 
 2. Um corpo de prova cilíndrico feito de uma dada liga e que possui 8 mm de diâmetro é tensionado elasticamente em tração. Uma força de 15 700 N produz uma redução no diâmetro do corpo de prova de 5x10-3 mm. Calcule o coeficiente de Poisson para este material se o seu módulo de elasticidade é de 140 GPa.
  
3. Um bastão de latão deve ser usado para uma aplicação que exige que suas extremidades sejam mantidas rígidas. Se o bastão está livre de tensões à temperatura ambiente (20oC), qual é a temperatura máxima segundo a qual o bastão pode ser aquecido sem que seja excedida uma tensão de compressão de 172 MPa? Considere um módulo de elasticidade de 100 GPa e um coeficiente linear de expansão térmica de 20 x 10-6 (oC) -1 para o latão.
EXERCÍCIOS – propriedades mecânicas e térmicas