Propriedades térmicas em Materiais

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1 FACULDADE SUDOESTE PAULISTA Ciência e Tecnologia de Materiais Prof. Msc. Patrícia Correa Propriedades térmicas em Materiais

2 Noções importantes para entendermos os mecanismos de transporte através dos materiais (Sólidos na maior parte dos casos). Ligações Químicas - Iônica - Covalente - Metálica

3 Teoria do octeto Ligação Iônica

4 Representação esquemática da ligação iônica para o NaCl Resulta da atração mútua entre íons positivos e negativos

5 Ligação Covalente

6 Representação esquemática da ligação covalente em uma molécula de metano. Os átomos atingem a configuração estável compartilhando elétrons com um átomo adjacente

7 A ligação covalente é direcional, ou seja mantém um ângulo entre as ligações. Nos materiais covalentes há uma tendência a reduzir a expansão térmica e a densidade em relação a materiais iônicos com massa atômica semelhante

8 Modelo da Ligação Metálica

9 União de dois átomos de sódio por meio da ligação metálica

10 Ilustração esquemática da ligação metálica Estrutura formada por íons positivos e elétrons livres de valência que formam uma nuvem eletrônica que circula livremente entre os íons positivos

11 Propriedades associadas as ligações metálicas Alta condutividade elétrica e térmica: os elétrons podem se mover em presença de uma f.e.m. ou de um gradiente de temperatura. Permitem grande deformação plástica pois as ligações são móveis ou seja não são rígidas como as iônicas e as covalentes Possuem o brilho metálico, como os elétrons são muito móveis trocam de nível energético com facilidade emitindo fótons. São sempre opacos: pela mesma razão acima mas nesse caso absorvendo a luz incidente

12 Ilustração esquemática da ligação de van der waals São ligações secundárias fracas que estão relacionadas a atração de dipolos elétricos

13

14 Atração por pontes de hidrogênio entre moléculas de água

15 Expansão da água no estado sólido

16 Ligações químicas em relação aos tipos de materiais

17 Influência da energia da ligação em algumas propriedades dos materiais Quanto maior a energia envolvida na ligação química há uma tendência de: Maior ser o ponto de fusão do composto Maior a resistência mecânica Maior a dureza Maior o módulo de elasticidade Maior a estabilidade química Menor a dilatação térmica

18 Definições importantes: - Temperatura - Calor - Mecanismos de propagação de calor

19 Energia térmica É a energia associada ao movimento de translação, rotação e vibração das partículas de um corpo. Sistema I Sistema II Menor energia térmica Maior energia térmica A temperatura é a grandeza física macroscópica relacionada à movimentação das partículas.

20 Calor: É uma forma de energia em trânsito que passa, de maneira espontânea, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

21 Formas de Calor: Quando um corpo recebe ou perde energia, esta pode produzir variação de temperatura ou mudança de estado. Quando o efeito produzido é a variação de temperatura, dizemos que o corpo recebeu calor sensível. Se o efeito se traduz pela mudança de fase, o calor recebido pelo corpo é dito calor latente.

22 Mecanismos de propagação de calor Condução Sólidos preferencialmente Convecção Líquidos e gases fluidos Radiação térmica Ondas eletromagnéticas Condução Convecção Radiação térmica 22

23 Condução Calor Condução de calor ao longo de uma barra. T 1 > T 2 Condução de calor ao longo de gás confinado. A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula, somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio. 23

24 Comportamento dos materiais quando sofrem variação de temperatura Fenômeno de dilatação térmica

25 CALOR VARIAÇÃO DE TEMPERATURA DILATAÇÃO E CONTRAÇÃO TÉRMICAS SÓLIDOS LINEAR SUPERFICIAL VOLUMÉTRICA

26 Todos os corpos se dilatam ou se contraem com o aumento ou a redução da temperatura.

27 LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS

28 Com a variação na temperatura de um sólido, as partículas que o constituem vibram, menos ou mais, em torno de sua posição de equilíbrio.

29 Dilatação linear dos sólidos

30 Dilatação linear dos sólidos Material A (10-6 C -1 ) Chumbo 29 Zinco 26 Alumínio 23 Prata 19 Cobre 17 Ouro 15 Concreto 12 Aço 11 Vidro comum 9 Granito 8 Vidro pirex 3,2 Porcelana 3 Diamante 0,9

31 Dilatação linear dos sólidos Expressão geral da dilatação (ou contração) linear de um sólido:

32 R-P/KINO R-P/KINO FOTOHUNTER/SHUTTERSTOCK Dilatação linear dos sólidos

33 LUANA FISCHER/FOLHA IMAGEM FERNANDO FAVORETTO/CRIAR IMAGEM DILATAÇÃO SUPERFICIAL A dilatação de alguns corpos, como azulejos e blocos de concreto, é mais perceptível em duas dimensões.

34 DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre: variação da dimensão; dimensão inicial; variação da temperatura.

35 Capacidade térmica Define-se Capacidade térmica como sendo a razão entre a quantidade de calor (Q), que um corpo recebe, e a variação de temperatura ocorrida (Δθ ). C Q t A unidade de capacidade térmica, no SI, é o Joule/Kelvin (J/K); Também é encontrado cal /º C

36 Calor - Mudança de fase O calor latente de mudança de estado pode ser: endotérmico (Q > 0): As transformações de fusão, vaporização e sublimação são endotérmicas pois a matéria precisa absorver calor. exotérmico (Q < 0): As transformações de liquefação, solidificação e sublimação inversa são exotérmicas, pois a matéria precisa liberar calor.

37 Mudança de fase Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura, podemos alterar o estado de agregação da matéria.

38 Curvas de aquecimento ou resfriamento

39 Leis gerais de mudança Se a pressão for mantida constante, durante a mudança de fase, a temperatura se mantém constante. Para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de mudança de fase perfeitamente definida. Variando a pressão, as temperaturas de mudança de fase também variam.

40 Diagrama de Fase Água e seu ponto triplo: Coexistem as fases: Sólida, líquida e gasosa

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