CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS

Transcrição

1 Faculdade Sudoeste Paulista Engenharia Civil/Produção Notas de aula: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS PROPRIEDADES TÉRMICAS Prof. Msc. Patrícia Corrêa Avaré, 2014

2 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 possuem calor? Não! Os corpos possuem energia. 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.

3 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. Variação de temperatura Efeitos de calor: 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

4 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.

5 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,

6 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.

7 "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,

8 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:

9 1. Água 2. Liga metálica