lista exercicios CIENCIA DOS MATERIAIS 1

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Ciência dos materiais 
 
 
 
 
1. Uma das razões pelas quais a Ciência/Engenharia de Materiais deve ser estudada é a 
de que seu conhecimento possibilita ao engenheiro, no seu trabalho cotidiano, lidar 
melhor com os problemas envolvendo o desenvolvimento ou a aplicação de determinado 
material ou até a escolha de um material mais adequado para cada tipo de situação. 
 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
Introdução. 7ªEdição. Rio de Janeiro: LTC EDITORA, 2016. 
 
 
Com base no texto supracitado, relate um exemplo desse tipo de problema ou 
situação e descreva-o, podendo ser um problema enfrentado como técnico, ou por 
algum profissional de empresa que trabalhe ou já tenha trabalhado. (valor: 1,0 ponto) 
 
Exemplos: Uma engrenagem de transmissão, Estrutura super de um edifício, 
Componente de uma refinaria de petróleo, Chip de circuito integrado. 
Exemplo específico de aplicação: 
 
Pra se construir uma estrutura de uma torre de geração de energia eólica deve-
se avaliar três parâmetros e decidir qual o mais apropriado pra ser aplicado na estrutura, 
se o alumínio ou aço! 
Alumínio é mais resistente à corrosão, porém menos resistente à carga, diferente 
do aço. 
O alumínio tem principalmente em ambientes litorâneos ou em torres dentro do 
mar, mais resistências à corrosão. 
Porém como ele tem menos resistência à carga. Nem todas as partes da torre 
eólica podem ser construídas desse material, são as que requerem mais carga. Porém 
peças acessórios como escadas e grades podem ser de alumínio. 
A seleção de um material correto depende das condições de serviço, pois 
ditarão as propriedades a serem exigidas do material, pois os materiais raramente têm 
todas as propriedades necessárias, exemplo disso resistência e ductilidade que são 
antagônicas. 
A deterioração das propriedades durante a operação, como por exemplo, 
temperatura excessiva ou ambiente corrosivo diminui a resistência mecânica. Por fim os 
fatores econômicos pesam sobre a seleção, o alumínio é mais caro que o aço. 
 
 
 
 
2. O elemento magnésio, cuja massa atômica na Tabela Periódica é de 24,30u, 
apresenta na natureza apenas três isótopos. Um desses isótopos possui massa igual a 
24u e é encontrado na natureza com abundância de 79%. Já o isótopo de massa igual a 
25u possui uma abundância de 10%. Qual é a massa do terceiro isótopo, em u, o qual 
apresenta abundância de 11%? (valor: 1,0 ponto) 
 
3. O Índio (In) possui propriedades fisico-químicas distintas de qualquer outro metal com 
a capacidade de "molhar", ou seja, de revestir por fricção do metal ou liga (alto teor) 
fundida, superfícies de vidros, micas, quartzos, cerâmicas vítreas e certos óxidos 
metálicos. Retém também a sua flexibilidade e maleabilidade até temperaturas próximas 
do zero absoluto, o que o torna ideal, por exemplo, para ser usado como vedação em 
equipamentos criogênicos e/ou a vácuo. o índio tem dois isótopos de ocorrência natural: 
113In, com um peso atômico de 112, 904 uma; e 115In, com um peso atômico de 114, 
904 uma. 
 
PUC-RIO. CAPÍTULO 2: O elemento químico Índio. 2018. Disponível em: 
https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/4774/4774_3.PDF. Acesso em: 06 mar 2019. 
 
 
abund% massa atomica cálculo 
79 x 24,00 uma = 18,96 
10 x 25,00 uma = 2,50 
100 x 24,30 uma = 
diferença entre massa atômica e número de massa dos 2 isótopos 
= 24,3 - 18,96 - 2,50 
11 x isótopo faltante uma = 2,84 
assim se calcula a massa atômica do isótopo faltante 
isótopo faltante =((100x24,30)-(79x24,00)-(10x25,00))/11 
11 x 25,82 Uma = 2,84 
 
 
 
Conforme o texto supracitado e sabendo que o peso atômico médio do In é de 
114,818 uma, determine o valor da fração de ocorrência desses dois isótopos. (valor: 1,0 
ponto) 
 
4. Na esteira do desenvolvimento tecnológico, a seleção de material tem contribuído 
para indicar as direções dos vetores tecnológicos e econômicos dos projetos de 
engenharia. A engenharia moderna frequentemente defronta-se com a necessidade de 
substituir o material empregado na fabricação de um produto, por outro que atenda a 
novas exigências de projeto ou da sociedade. A exigências da sociedade neste fim de 
século têm tido como principais acionadores aspectos como: necessidade de se reduzir 
consumo de energia e preservar a vida e o meio ambiente. 
 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
Introdução. 5ªEdição. Rio de Janeiro: LTC EDITORA, 2002. 
Redija um texto abordando os quatro componentes que estão envolvidos no design, 
produção e utilização dos materiais e suas respectivas relações entre esses 
componentes. (valor: 1,0 ponto) 
 
 
1) 112,904 x + 114,904 y = 114,818 
 112,904 x = 114,818 - 114,904 y 
 
2) x + y = 1 
 y = 1 - x 
substituindo y na 1ª equação por 1-x da 2ª equação temos: 
 112,904 x = 114,818 - 114,904 (1-x) 
 112,904 x = 114,818 - 114,904 + 114,904 x 
 2,000 x = 0,086 
 x = 0,043 4,300 % resposta In113 
substituindo x na 2ª equação por 0,043 
 y = 1 - 0,043 
 y = 0,957 95,700 % resposta In115 
 
Elemento Índio - In 
abund massa atom cálc 
% uma cálc 
0,043 112,904 uma 
0,957 114,904 uma 
1,000 114,818 uma 
 
 
contraprova 114,818 uma 
 
 
 
Ciência e engenharia de materiais e seus quatro componentes e sua relação linear. 
PROCESSAMENTO → ESTRUTURA → PROPRIEDADES → DESEMPENHO 
Descrevendo cada etapa: 
a. PROCESSAMENTO 
 
1. Define a estrutura do material 
 
b. ESTRUTURA – arranjo de seus componentes internos. 
 
1. Subatômica, envolve elétrons no interior dos átomos individuais. 
2. Atômico, organização dos átomos ou moléculas. 
3. Microscópico, observação direta usando microscópio. 
4. Macroscópico, visto ao olho nú. 
 
c. PROPRIEDADES – 6 categorias e exemplos; 
 
1. Mecânica, resistência (deformação com a carga). 
2. Elétrica, condutividade elétrica (campo elétrico). 
3. Térmica, capacidade calorífica. 
4. Magnética, aplicação de um campo magnético. 
5. Ótica, índice de refração (luz). 
6. Deteriorativa, reatividade química dos materiais. 
 
 
d. DESEMPENHO 
 
1. Será função das suas propriedades. 
 
5. Pesquisadores espanhóis desenvolveram um novo material, uma liga metálica de 
cobre e níquel em formato de nanoesponja. Segundo o professor do Departamento de 
Física da UAB, Jordi Sort, que dirigiu a pesquisa, "as nanoesponjas podem ser a base 
de novas memórias magnéticas em computadores e telefones celulares com muito mais 
eficiência energética que as atuais". que pode reduzir ao mínimo o gasto energético dos 
dispositivos eletrônicos, entre eles os computadores e os telefones celulares. O cobre 
consiste em dois isótopos com massa 62,96u e 64,96u e abundância isotópica de 70,5% 
e 29,5%, respectivamente. 
 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
Introdução. 5ªEdição. Rio de Janeiro: LTC EDITORA, 2002. 
Conforme as informações acima acerca do cobre (Cu), a massa atômica do cobre 
apresenta um valor, em u, de: (valor: 1,0 ponto) 
 
Elemento Cobre - Cu 
Isótopo abund. % massa atom unid 
Cu63 0,705 62,96 uma 
Cu65 0,295 64,96 uma 
 1,000 63,55 uma 
Resp: m.a.= (0,705*62,96)+(0,295*64,96) 
 
 
 
6. Os materiais são usados por causa de suas boas propriedades, como o aço nos 
automóveis por causa da sua boa resistência mecânica, cobre nos condutores elétricos 
por causa da sua boa condutividade elétrica. Naturalmente, o valor de uma propriedade 
varia entre os materiais de uma mesma classe, contudo, é possível observar-se certo 
grau de correlação entreas classes de materiais e as propriedades. 
Diante da exposição textual, associe a coluna da esquerda com a da direita no 
que diz respeito às propriedades dos materiais (valor: 1,0 ponto) 
 
(1) Metais ( 5 ) Materiais tradicionais que tiveram suas 
propriedades aperfeiçoadas para atender 
determinada aplicação. 
(2) Polímeros ( 1 ) Possuem alta densidade, alta ductilidade, boa 
resistência à fratura e baixa resistência à 
corrosão. 
(3) Cerâmicas ( 4 ) Possuem uma combinação de propriedades 
que não seria possível obter com um único tipo 
de material. 
(4) Compósitos ( 2 ) Compostos por cadeias de compostos 
orgânicos que se repetem. 
(5) Materiais 
Avançados 
( 3 ) São duros e frágeis. Possuem baixa 
condutividade térmica e elétrica. 
 
7. Todos os átomos de elementos metálicos apresentam elétrons livres, que não 
pertencem a nenhum átomo em particular, nas últimas camadas eletrônicas. São 
relativamente duros e resistentes, contudo, dúcteis e resistentes à fratura, o que 
favorece sua ampla utilização em aplicações estruturais. Alguns metais possuem 
propriedades magnéticas interessantes. 
 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 7ªEdição. Rio de 
Janeiro: LTC EDITORA, 2016. 
 
Diante o exposto, identifique, conceitue e exemplifique as propriedades dos metais 
favorecidas pelos elétrons livres: (valor: 1,0 ponto) 
Os metais são elementos altamente eletropositivos, tendo, portanto, a tendência 
de formar cátions. Assim, alguns átomos dos metais perdem os seus elétrons mais 
externos (da camada de valência) formando cátions. Os elétrons liberados são 
chamados de elétrons livres. 
Esses elétrons não abandonam o cristal, mas possuem mobilidade, transitam 
livremente, formando uma espécie de “nuvem eletrônica” que envolve a estrutura e 
causa uma força que faz com que os átomos do metal permaneçam unidos. 
 
1. São condutores de eletricidade e calor, devido aos elétrons livres, que permitem o 
trânsito rápido de calor e eletricidade. Ex: cabos elétricos e panelas. 
2. Seus elevados pontos de fusão e ebulição, bem como sua resistência à 
tração são consequências da grande força da ligação metálica, porque os átomos 
ficam unidos com muita intensidade. Assim, para desfazer esse tipo de ligação é 
necessário fornecer muita energia ao sistema. Ex: Panela de ferro, Ponte 
metálica. 
 
 
 
3. A densidade elevada e o fato da maioria dos metais serem sólidos em 
temperatura e pressões ambientes é consequência das estruturas compactas e 
cristalinas. Ex: chumbo Pb. 
4. A maleabilidade e a ductibilidade vêm do fato de que os átomos dos metais 
podem “escorregar” uns sobre os outros. Ex: ouro - Au. 
5. Outras propriedades: não são transparentes à luz visível. Telhas metálicas. 
 
8.“São materiais compostos por macromoléculas, que são cadeias compostas pela 
repetição de uma unidade básica, chamada mero, formada a partir de monômeros. 
Dependendo deste tipo (estrutura química), do número médio de meros por cadeia e do 
tipo de ligação covalente, pode-se dividir em três grandes classes: plásticos, borrachas 
(ou elastômeros) e fibras. 
Uma classificação mais abrangente cita ainda os revestimentos, os adesivos, as 
espumas e as películas. Muitos destes compostos são variações e/ou desenvolvimentos 
sobre moléculas já conhecidas podendo ser divididos em quatro diferentes 
classificações: quanto à estrutura química; ao método de preparação; ao comportamento 
mecânico e quanto ao desempenho mecânico.” 
CALLISTER JUNIOR, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma 
Introdução.7ªEdição. Rio de Janeiro: LTC EDITORA, 2016. 
De acordo com a definição supracitada e a Figura 01, redija um texto abordando os 
seguintes quesitos: (a) identifique o tipo de composto que se associa a esta 
conceituação e (b) descreva as principais diferenças dos materiais listados abaixo, com 
ênfase nas 02 propriedades relevantes para identificar as aplicabilidades na indústria 
como matéria-prima. (valor: 1,0 ponto) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 01 – Ilustração dos compostos com suas respectivas fórmulas estruturais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: CALLISTER JUNIOR (2016). 
a) 
Polímeros (plástico e borracha); São compostos orgânicos, baseados em carbono e 
hidrogênio e O, N e Si e não metálicos. Estruturas moleculares grandes, baixas 
densidades e flexíveis. Ex, pvc, ptfe e pe. 
 
 Polietileno (PE), garrafas flexíveis, brinquedos, tambores, bandeja de gelo, 
películas de embalagem. 
 Polivinilcloreto (PVC), tubulações, isolamento elétrico de fios, mangueira de 
jardim, disco fonográfico. 
 Politetrafluoretileno (PTFE), vedações anticorrosivas, peças de eletrônicos para 
temperaturas altas, válvulas usadas em produtos químicos. 
 Polipropileno (PP), garrafas esterilizáveis, películas de embalagens, malas. 
 
b) 
Estabilidade e Eletronegatividade. 
 
Os elementos não metálicos na molécula são os que trazem as características 
de eletronegatividade. Também influenciam no ângulo entre os carbonos e o 
comprimento de ligação deixando a molécula com mais ou menos estabilidade. 
Por exemplo o radical metila adiciona elétrons na molécula, já o flúor retira 
elétrons deixando a molécula instável. O cloro tem eletronegatividade de 3,16 
na escala de Pauling sendo menor que o flúor que é 3,98. 
 
9. A adubação de cana-de-açúcar, batata, arroz e outras culturas com silício tem 
ajudado a melhorar a produtividade e a qualidade da colheita. “O primeiro passo para 
conseguir fazer esse estudo é aplicar uma fonte enriquecida em um dos isótopos de 
silício, chamado de traçador, com composição isotópica diferente do natural”, diz o 
professor José Albertino Bendassolli, do Laboratório de Isótopos Estáveis do Cena, 
coordenador da pesquisa. 
Os isótopos são átomos de um mesmo elemento químico que se diferenciam pelo 
número de massa, ou seja, a quantidade de prótons e nêutrons presentes no núcleo. O 
número de prótons caracteriza, por exemplo, o nitrogênio, o carbono, o enxofre ou o 
silício, enquanto a variação no número de nêutrons distingue os isótopos de cada um 
deles. Esses isótopos respondem pelas pequenas diferenças nas propriedades físicas 
de um mesmo elemento químico. 
PESQUISA FAPESP. Por dentro da Planta. 2018. Disponível em: 
http://revistapesquisa.fapesp.br/2018/03/01/por-dentro-da-planta/. Acesso em: 06 
mar 2019. 
A Tabela 01 mostra a massa atômica e a abundância dos isótopos naturais do 
silício (Si). De acordo com esses dados, encontre o valor da massa atômica do Si. (valor: 
1,0 ponto) 
 
Tabela 01 – Isótopos do Silício e as repectivas abundâncias e massa atômica. 
 
Isótopo Abundância (%) Massa atômica (u.m.a) 
28Si 92,23 27,9769 
 
 
29Si 4,68 28,9765 
30Si 3,09 29,9738 
Fonte: QUIMICA NOVA (2017). 
 
 
10. A engenharia de materiais possui um novo objeto de estudo: no final de 2015, 
descobriu-se na North California State University, uma nova forma alotrópica do 
carbono, o Q-carbono. O Q-carbono foi produzido artificialmente e possui dureza maior 
do que o diamante, tendo uso potencial em brocas para extração de petróleo, por 
exemplo. 
Em 1985 os químicos descobriram uma terceira estrutura alotrópica do carbono, o 
fulereno, também chamada de buckminsterfullerno, em homenagem ao arquiteto R. 
Buckminster Fuller, cujos domos são semelhantes ao fulereno, conforme a Figura 02. 
 
QUIMICA COM ENGENHARIA. 2018. Disponível em: 
http://quimicacomengenharia.blogspot.com/2016/05/a-alotropia-do-carbono.html. 
Acesso em 06 mar 2019. 
 
Figura 02 – Estruturas possíveis do carbono. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: QUIMICA COM ENGENHARIA (2016). 
Elemento Silício 
Isótopo Abundância (%) Massa atômica (u.m.a) cálculo 
28Si 92,23 x 27,9769 = 25,803 
29Si4,68 x 28,9765 = 1,356 
30Si 3,09 x 29,9738 = 0,926 
M.A.=(0,9223x27,9769)+(0,0468x28,9765)+(0,0309x29,9738) 
Si 100,00 28,0854 uma 
 
 resposta: 
 
 
 
 
Considerando o texto supracitado, redija um texto dissertando acerca dos seguintes 
quesitos: 
 
(a) qual o fenômeno apresentado pelo carbono e identifique quais outros elementos 
apresentam este mesmo comportamento (no mínimo, 2); 
 
(b) estipule a tendência dos valores de diâmetro, em Ångström (Å), entre os átomos para 
cada formato apresentado, dentre 150pm, 350pm e 700pm e (c) analise qual estrutura 
deveria ser utilizada como reforço em uma estrutura de aço 1020, com 0,20% de 
carbono e distância entre as camadas de 300 pm. (valor: 1,0 ponto) 
 
Resposta: 
a) Alotropia foi uma denominação atribuída ao fenômeno em que um 
mesmo elemento químico pode originar duas ou mais substâncias simples com 
diferentes propriedades tais como densidade, organização espacial, 
condutividade elétrica. Exemplos: São alótropos o carbono, enxofre, oxigênio, 
entre outros. (p.ex., o grafite e o diamante são formas alotrópicas do carbono). 
O elemento oxigênio (símbolo O, número atômico 8) é encontrado na atmosfera 
na forma de gás oxigênio (moléculas biatômicas de fórmula molecular O2) e de 
gás ozônio (moléculas triatômicas de fórmula molecular O3). O elemento 
químico enxofre (símbolo S, número atômico 16) forma moléculas octatômicas S8. 
No estado sólido, moléculas S8 agrupam-se e constituem o retículo cristalino 
molecular. Há, contudo, duas formas distintas (ambas naturais) de enxofre, um é 
chamado de enxofre rômbico; e o outro, de enxofre monoclínico. Ambos são de 
cor amarelada, e, quando vistos muito de perto, percebe-se que têm formatos 
diferentes. 
 
b) 1,5Ä diamante, 3,5Ä grafita, 7,0Ä fulereno. c) Diamante, pois 300pm, equivale a 
3Ä, assim pra preencher os espaços entre camadas somente esse tem tamanho 
menor.