PROPRIEDADES TÉRMICAS

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CTM- PROPRIEDADES 
TÉRMICAS DOS MATERIAIS
PROF. MARCELO MIGNONI
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Propriedade térmica refere-se à resposta de um material à aplicação de
calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua
temperatura e suas dimensões aumentam. A energia pode ser transportada
para regiões mais frias da amostra, caso haja gradientes de temperatura, e, por
fim, a amostra pode fundir-se.
A capacidade calorífica, a expansão térmica e a condutividade térmica
são propriedades que com frequência são críticas para a utilização prática dos
sólidos.
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CAPACIDADE CALORÍFICA
Um material sólido, quando aquecido, experimenta um aumento na
temperatura; isso significa que alguma energia foi absorvida.
A capacidade calorífica é uma propriedade indicativa da habilidade de um
material em absorver calor de sua vizinhança; ela representa a quantidade de
energia necessária para produzir um aumento unitário na temperatura. Em termos
matemáticos, a capacidade calorífica C é expressa da seguinte maneira:
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em que dQ é a energia necessária para produzir uma variação dT na
temperatura. Normalmente, a capacidade calorífica é especificada por mol do
material (isto é, J/mol · K ou cal/mol · K).
O calor específico (representado frequentemente por um c minúsculo) é
usado algumas vezes. Ele representa a capacidade calorífica por unidade de
massa e possui várias unidades (J/kg · K, cal/g · K, Btu/lbm · ºF
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Capacidade Calorífica Vibracional
Na maioria dos sólidos, a principal maneira de assimilação de energia térmica
é por um aumento na energia vibracional dos átomos. Os átomos nos materiais
sólidos estão vibrando constantemente em frequências muito altas e com
amplitudes relativamente pequenas.
Em vez de serem independentes umas das outras, as vibrações de átomos
adjacentes estão acopladas em virtude de suas ligações atômicas. Essas
vibrações estão coordenadas de tal modo que são produzidas ondas que se
propagam pela rede.
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Essas ondas podem ser consideradas como ondas elásticas ou simplesmente
ondas sonoras, com comprimentos de onda pequenos e frequências muito altas, que
se propagam pelo cristal na velocidade do som.
A energia térmica vibracional para um material consiste em uma série dessas
ondas elásticas, com uma faixa de distribuições e frequências.
Apenas certos valores de energia são permitidos (a energia é dita estar
quantizada), e um único quantum de energia vibracional é chamado fônon
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(Um fônon é análogo ao quantum de radiação eletromagnética, o fóton.)
Ocasionalmente, as próprias ondas vibracionais são denominadas fônons.
O espalhamento térmico dos elétrons livres durante a condução eletrônica
ocorre por meio dessas ondas vibracionais, e essas ondas elásticas também
participam no transporte de energia durante a condução térmica.
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EXPANSÃO TÉRMICA
Os materiais sólidos, em sua maioria, se expandem quando são aquecidos e
se contraem quando são resfriados. A variação no comprimento em função da
temperatura para um material sólido pode ser expressa da seguinte maneira:
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Metais
Os coeficientes de expansão térmica linear para alguns dos metais mais
comuns variam entre aproximadamente 5×10–6 e 25×10–6 (ºC)–1; esses valores são
intermediários em magnitude entre os dos materiais cerâmicos e poliméricos.
Existem várias ligas metálicas de baixa expansão e de expansão controlada,
as quais são usadas em aplicações que requerem estabilidade dimensional frente
a variações na temperatura.
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Cerâmicas
Em muitos materiais cerâmicos são encontradas forças de ligação
interatômicas relativamente fortes, o que se reflete em coeficientes de
expansão térmica comparativamente baixos; os valores variam em geral entre
aproximadamente 0,5 × 10–6 e 15 × 10–6 (ºC)–1.
Para as cerâmicas não cristalinas e também para aquelas com estruturas
cristalinas cúbicas, al é isotrópico. Nos demais casos, ele é anisotrópico; alguns
materiais cerâmicos, ao serem aquecidos, se contraem em algumas direções
cristalográficas, enquanto se expandem em outras.
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Para os vidros inorgânicos, o coeficiente de expansão depende da
composição. A sílica fundida (vidro de SiO2 de alta pureza) possui um coeficiente
de expansão pequeno, 0,4 × 10–6 (ºC)–1. Isso é explicado por uma baixa
densidade de compactação atômica, tal que a expansão interatômica produz
alterações dimensionais macroscópicas relativamente pequenas.
Os materiais cerâmicos que devem ser submetidos a mudanças de
temperatura devem apresentar coeficientes de expansão térmica relativamente
pequenos e isotrópicos. De outra forma, esses materiais frágeis podem sofrer
fratura em consequência de variações dimensionais não uniformes; isso é
denominado choque térmico.
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Polímeros
Alguns materiais poliméricos apresentam expansões térmicas muito grandes ao
serem aquecidos, como indicado por coeficientes que variam desde
aproximadamente 50×10–6 até 400×10–6 (ºC)–1.
Os maiores valores de αl são encontrados para os polímeros lineares e com
ramificações, pois as ligações intermoleculares secundárias são fracas e há uma
quantidade pequena de ligações cruzadas.
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Com o aumento da quantidade de ligações cruzadas, a magnitude
do coeficiente de expansão térmica diminui; os menores coeficientes são
encontrados para os polímeros termorrígidos em rede, tais como o fenol-
formaldeído, nos quais as ligações são quase inteiramente covalentes.
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CONDUTIVIDADE TÉRMICA
A condução térmica é o fenômeno pelo qual o calor é transportado das
regiões de alta temperatura para as de baixa temperatura em uma substância. A
propriedade que caracteriza a habilidade de um material transferir calor é a
condutividade térmica. Ela é mais bem definida em termos da expressão:
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TENSÕES TÉRMICAS
Tensões térmicas são tensões induzidas em um corpo como resultado
de variações na temperatura.
É importante uma compreensão das origens e da natureza das tensões
térmicas, pois elas podem levar à fratura ou a uma deformação plástica
indesejável.
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Tensões Resultantes da Restrição a Expansão e Contração Térmica
Em primeiro lugar, vamos considerar uma barra sólida homogênea e
isotrópica que é aquecida ou resfriada de maneira uniforme; ou seja, não são
impostos gradientes de temperatura.
Na expansão ou contração livre, a barra estará isenta de tensões. Se, no
entanto, o movimento axial da barra for restringido por suportes rígidos nas
extremidades, serão introduzidas tensões térmicas. A magnitude da tensão σ que
resulta de uma variação na temperatura de T0 para Tf é de:
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em que E é o módulo de elasticidade e αl é o coeficiente de expansão térmica
linear.
No aquecimento (Tf > T0), a tensão é compressiva (σ < 0), uma vez que a
expansão da barra foi restringida. Se a barra for resfriada (Tf < T0), uma tensão de
tração será imposta (σ > 0).
Além disso, a tensão na Equação 19.8 é a mesma que seria necessária para
comprimir (ou alongar) elasticamente a barra de volta ao seu comprimento
original após ter sido permitido que ela alongasse (ou contraísse) livremente por
causa de uma variação na temperatura T0 — Tf.
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Tensões Resultantes de Gradientes de Temperatura
Quando um corpo sólido é aquecido ou resfriado, a distribuição
interna de temperaturas dependerá do seu tamanho e da sua
forma, da condutividade térmica do material e da taxa de
variação da temperatura. Tensões térmicas podem ser geradas
como um resultado de gradientes de temperatura ao longo de um
corpo.
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Esses gradientes são causados, com frequência, por um
aquecimento ou resfriamento rápido, em que a parte exterior
varia de temperatura mais rapidamente que a parte interior;
variações diferenciais nas dimensões restringem a expansão ou a
contração livre de elementos de volume adjacentes no interior
da peça.
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Por exemplo, em um aquecimento, o exterior de uma amostra está mais
quente e, portanto, se expande mais do que as regiões internas. Dessa
forma, são induzidas tensões de compressão na superfície, as quaissão
equilibradas por tensões de tração internas.
As condições de tensão nas regiões interna e externa se invertem em um
resfriamento rápido, de modo que a superfície é colocada em um estado de
tração.
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Choque Térmico de Materiais Frágeis
Para os polímeros e metais dúcteis, o alívio das tensões termicamente
induzidas pode ocorrer por deformação plástica. No entanto, a falta de
ductilidade da maioria das cerâmicas aumenta a possibilidade de fratura frágil
por causa dessas tensões.
O resfriamento rápido de um corpo frágil apresenta maior probabilidade
de causar choque térmico que o aquecimento, uma vez que as tensões
superficiais induzidas são de tração. A formação e a propagação de trincas a
partir de defeitos na superfície são mais prováveis quando é imposta uma
tensão de tração.
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A capacidade de um material resistir a esse tipo de falha é denominada
resistência ao choque térmico. Para um corpo cerâmico que é resfriado
rapidamente, a resistência ao choque térmico depende não apenas da
magnitude da variação da temperatura, mas também das propriedades
mecânicas e térmicas do material.
A resistência ao choque térmico é maior para as cerâmicas que apresentam
elevadas resistências à fratura σf e altas condutividades térmicas, assim como
baixos módulos de elasticidade e baixos coeficientes de expansão térmica.
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A resistência de muitos materiais a esse tipo de falha pode ser aproximada
por um parâmetro de resistência ao choque térmico, RCT.
O choque térmico pode ser prevenido alterando-se as condições externas,
até que as taxas de resfriamento e aquecimento sejam reduzidas e os
gradientes de temperatura através de um corpo sejam minimizados.
A modificação das características térmicas e/ou mecânicas também pode
melhorar a resistência ao choque térmico de um material. Entre esses
parâmetros, o coeficiente de expansão térmica é provavelmente o mais
facilmente modificado e controlado.
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Por exemplo, os vidros sodo-cálcicos comuns, que têm um valor de αl de
aproximadamente 9×10–6 (ºC)–1, são particularmente suscetíveis a choques
térmicos, como qualquer pessoa que já cozinhou pode provavelmente atestar.
A redução nos teores de CaO e de Na2O enquanto, ao mesmo tempo, se
adiciona B2O3 em quantidades suficientes para formar o vidro borossilicato (ou
Pyrex), reduzirá o coeficiente de expansão térmica para aproximadamente
3×10–6 (ºC)–1; esse material é totalmente adequado aos ciclos de aquecimento e
resfriamento que ocorrem nos fornos de cozinha.
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A introdução de alguns poros relativamente grandes ou de uma segunda
fase dúctil também pode melhorar as características de resistência ao choque
térmico de um material; ambos os procedimentos impedem a propagação das
trincas termicamente induzidas.
Com frequência, é necessário remover as tensões térmicas existentes nos
materiais cerâmicos como um meio de melhorar sua resistência mecânica e
características ópticas. Isso pode ser realizado por meio de um tratamento
térmico de recozimento.
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TÉRMICAS DOS MATERIAIS
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