Notas de aula_propriedades térmicas

Faculdade Sudoeste Paulista
Engenharia Civil/Produção
Notas de aula:
CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
MATERIAIS
PROPRIEDADES TÉRMICAS
Prof. Msc. Patrícia Corrêa
Avaré, 2014
Ciência e Tecnologia de Materiais
a.
Prof Msc. Patrícia Corrêa
Propriedades de materiais:
1. Térmica
Definições:
Temperatura: Medida do grau de agitação das moléculas de um corpo – Medida da energia
cinética média das moléculas ou átomos que constituem os corpos.
Calor: Calor é a energia transferida entre dois ou mais sistemas devido a uma diferença de
temperatura entre eles.
O calor é espontaneamente transferido do corpo que possui temperatura mais alta para o que
possui temperatura mais baixa, e o calor só é transferido enquanto os corpos possuírem
temperaturas diferentes entre si, isso porque uma vez que é atingido o equilíbrio térmico, os
corpos adquirem a mesma temperatura e deixa de ocorrer o fluxo de energia, ou seja, calor.
Em outras palavras definimos calor como energia térmica em trânsito em um sistema em que
existe diferença de temperatura entre os corpos envolvidos.
Os
corpos
Não! Os corpos possuem energia.
possuem
calor?
Todos os corpos possuem o que denominamos energia interna que é a soma de todas as
energias das moléculas no seu interior.
A energia interna é composta pela energia cinética da agitação molecular e dos átomos dentro
das moléculas e pela energia potencial existente devido às forças entre essas moléculas.
Quando um corpo cede ou recebe calor significa que sua energia interna está diminuindo ou
aumentando, pois ocorre uma transferência de energia. Então, diz-se que calor é uma energia
em trânsito.
Transferência de calor
Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: condução, convecção e
irradiação.
A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico
direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida
por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. Condução é o processo de transmissão de
calor em que a energia se transfere de molécula para molécula sem que elas se desloquem. O
calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as
temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das
substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra,
sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases.
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Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um
péssimo condutor de calor. Consequentemente, a condução só é importante entre a superfície
da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície.
A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de
um fluído através de movimentos do próprio fluído, que trocam de posições devido às suas
diferentes densidades provocadas pelas diferenças de temperatura. O calor ganho na camada
mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais frequentemente transferido
por convecção. A convecção ocorre como consequência de diferenças na densidade do ar.
Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar
torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o
ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então
aquecido pela superfície e o processo é repetido.
A irradiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a
radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o
sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.
Efeitos de calor:
Variação de temperatura
Calor sensível – É a quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo ao sofrer uma
variação de temperatura, sem que haja mudança de fase.
c = calor específico – É a quantidade de calor, característica de cada substância, necessária
para que 1 unidade de massa da substância sofra variação de temperatura de 1°C.
Capacidade térmica
É a quantidade de calor que um corpo necessita receber ou ceder para que sua temperatura
varie uma unidade.
Mudança de fase
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Nem toda a troca de calor existente na natureza se detém a modificar a temperatura dos
corpos. Em alguns casos há mudança de estado físico destes corpos. Neste caso, chamamos a
quantidade de calor calculada de calor latente.
Quando:
Q>0: o corpo funde ou vaporiza.
Q<0: o corpo solidifica ou condensa.
Curva de aquecimento
Pressão e transformação de fase
O gelo, sobre a influência da pressão de 1atm, funde-se a uma temperatura de 0 °C e a água entra em
ebulição a 100 °C, mas nem sempre a pressão tem o mesmo valor. Experimentalmente é possível
verificar que tanto a temperatura de fusão quanto a de ebulição sofrem pequenas variações quando a
pressão
varia.
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Com a maioria das substâncias acontece um fato bastante curioso: quando passam do estado sólido
para o líquido, ou seja, se fundem, elas aumentam de volume, ainda é possível observar que a
temperatura de fusão aumenta à medida que a pressão exercida sobre ela também aumenta. O
chumbo, por exemplo, se funde à temperatura de 327 °C estando sobre pressão de 1atm, mas, se
submetido a uma pressão maior, sua temperatura se eleva. O mesmo ocorre quando a pressão exercida
sobre
ele
se
reduz.
A água é uma das poucas substâncias que fogem ao comportamento descrito anteriormente. Com ela
acontece o contrário: o aumento de pressão provoca a diminuição da temperatura de fusão e viceversa. Como se sabe, o gelo se funde à temperatura de 0 °C quando sobre pressão de 1 atm, contudo, se
a
pressão
exercida
sobre
ele
aumentar,
a
temperatura
de
fusão
diminui.
Assim como acontece com os sólidos, a pressão também exerce influência sobre a temperatura de
ebulição dos líquidos. O aumento da pressão exercida sobre um líquido provoca aumento na
temperatura de ebulição do mesmo.
CONDUTIVIDADE TÉRMICA/ISOLAMENTO TÉRMICO
A condutividade térmica consiste numa grandeza física que mede a capacidade de uma
substância conduzir o calor. Permite distinguir os bons dos maus condutores de calor e pode
ser definida como a energia transferida sob a forma de calor e por segundo, através de uma
superfície, quando há diferença de temperaturas entre as duas faces dessa superfície.
Fatores que influenciam a condutividade térmica:
a. Fase do material
Quando um material sofre uma mudança de fase de sólido para líquido ou de líquido para gás,
a condutividade térmica geralmente muda.
Isso se deve ao fato de que o calor se dá de maneira diferente para cada estado da matéria.
b. Estrutura do material
Um cristal puro apresenta condutividade térmica diferente ao longo de cada um dos seus
diferentes eixos cristalinos, pois há diferenças no acoplamento dos fônons ao longo dos
diferentes eixos do cristal.
c. Condutividade elétrica
Nos metais, a condutividade térmica esta relacionada com a condutividade, uma vez que os
elétrons de condução, além de possibilitarem a corrente elétrica, transferem também energia
térmica. No entanto, a correlação entre a condutância elétrica e a térmica só vale para metais,
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devido a forte influência dos fônons no processo de transferência de eletricidade e dos
elétrons no processo de transferência de energia térmica.
d. Convecção
O ar e outros gases, na ausência de convecção, geralmente são bons isolantes térmicos. Por
isso, muitos dos materiais são isolantes por apresentarem poros que permitem o
armazenamento de gases contudo impedem a convecção em grande escala. Exemplos destes
materiais incluem polímeros porosos como o isopor, e o aerogel de sílica. Outros isolantes
naturais são os biológicos, tais como pelos e penas, que protegem as peles dos animais contra
agentes externos. As peles que possibilitam a produção de couro são também excelentes
isolantes térmicos.
As cerâmicas são utilizadas nos sistemas de escape para evitar que haja calor sobre
componentes a esse sensíveis. Gases pouco densos, como hidrogênio e hélio, normalmente
têm condutividade térmica mais acentuada. Já gases densos como xenonio e
diclorodifluorometano apresentam baixa condutividade térmica. Uma exceção é o
hexafluoreto de enxofre, um gás denso com alta condutividade térmica, devido à sua
capacidade térmica elevada. Argônio é um gás mais denso que o ar, e frequentemente é
utilizado para preencher o interior de janelas com vidros duplos a fim de melhorar suas
características de isolamento térmico.
DILATAÇÃO TÉRMICA SÓLIDOS
Todos os corpos na natureza estão sujeitos a este fenômeno, uns mais outros menos.
Geralmente quando esquentamos algum corpo, ou alguma substância, esta tende a aumentar
seu volume (expansão térmica). E se esfriarmos algum corpo ou substância esta tende a
diminuir seu volume (contração térmica).
Existem alguns materiais que em condições especiais fazem o contrário, ou seja, quando
esquentam contraem e quando esfriam dilatam. É o caso da água quando está na pressão
atmosférica e entre 0ºC e 4ºC.
Porque isso acontece?
Bem, você deve estar lembrado que quando esquentamos alguma substância estamos
aumentando a agitação de suas moléculas, e isso faz com que elas se afastem umas das outras,
aumentando logicamente o espaço entre elas. Para uma molécula é mais fácil, quando esta
está vibrando com mais intensidade, afastar-se das suas vizinhas do que aproximar-se delas.
Isso acontece por causa da maneira como as forças moleculares agem no interior da matéria.
Então ...
" ...se o espaço entre elas aumenta, o volume final do corpo acaba aumentando também"
Quando esfriamos uma substância ocorre exatamente o inverso. Diminuímos a agitação
interna das mesmas, o que faz com que o espaço entre as moléculas diminua, ocasionando
uma diminuição do volume do corpo.
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"Se o espaço entre as moléculas diminui, o volume final do corpo acaba diminuindo também"
Existem 3 formas de analisarmos como os sólidos se dilatam: Linear; Superficial e Volumétrica
1. DILATAÇÃO LINEAR
A figura mostra uma barra metálica, em duas temperaturas diferentes:
Verifica-se, experimentalmente, que:
A constante de proporcionalidade que transforma essa relação em uma igualdade, é o
coeficiente de dilatação linear do material com o qual a peça foi construída. Desse modo
temos:
2. DILATAÇÃO SUPERFICIAL
Verifica-se, também experimentalmente, que o acréscimo
na área de uma superfície que
apresenta variações de temperatura é diretamente proporcional à sua área inicial So e à
correspondente variação de temperatura
.
A constante de proporcionalidade é o coeficiente de dilatação superficial
, tal que
β = 2α,
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teremos:
3. DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
Utilizando-se o mesmo raciocínio anterior e introduzindo-se o coeficiente de dilatação
volumétrica, tal que
= 3α,
teremos:
Diagrama de fase de uma substância
Um diagrama de fase em ciência dos materiais é um tipo de gráfico que mostra as condições
de equilíbrio entre as fases termodinamicamente distintas. Componentes comuns de uma
diagrama de fase são linhas de equilíbrio ou contornos de fase, os quais referem-se a linhas que
marcam condições sob as quais múltiplas fases podem coexistir e equilíbrio. Transições de
fase ocorrem ao longo de linhas de equilíbrio.
Pontos triplos são pontos em diagramas de fase onde linhas de equilíbrio intersectam-se.
Pontos triplos marcam condições nas quais três fases diferentes podem coexistir. Por
exemplo, o diagrama de fase da água possui um ponto triplo correspondendo à única
temperatura e pressão na qual água sólida, líquida e gasosa (vapor) podem existir em um
equilíbrio estável.
Exemplos:
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1. Água
2. Liga metálica
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