MATERIAIS PARA ENGENHARIA DE PETRÓLEO - EPET069 - Propriedades Elétricas Propriedades Térmicas

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1 MATERIAIS PARA ENGENHARIA DE PETRÓLEO - EPET069 - Propriedades Elétricas Propriedades Térmicas

2 Condutividade Elétrica 1820 Físicos podiam produzir e detectar correntes elétricas; Medir diferenças de potenciais; Quantificar resistência elétrica Formulou-se a lei de Ohm U = Ri Georg Simon Ohm

3 Condutividade Elétrica A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e está relacionada com a resistência elétrica ρ = R A l A condutividade elétrica (σ) indica a facilidade com que um material conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade: σ = 1 ρ

4 Condutividade Elétrica

5 Resistividade elétrica dos metais e ligas A resistividade elétrica de um material metálico monofásico pode ser considerada (regra de Matthiessen) como sendo a soma de várias parcelas: onde, ρ = ρ t + ρ i + ρ d ρ t ρ i ρ d - Contribuição devida às vibrações térmicas - Devida às impurezas; - Devida às deformações.

6 Resistividade elétrica dos metais e ligas

7 Resistividade elétrica dos metais e ligas A contribuição da temperatura, acima da temperatura de Debye, geralmente obedece uma relação linear: ρ t = ρ 0 + at A contribuição dos átomos de soluto em solução sólida é descrita pela regra de Nordheim: ρ i = Ac i (1 c i )

8 Condutividade Elétrica em sólidos iônicos A condutividade elétrica dos sólidos iônicos (e covalentes), em geral, aumenta com a temperatura. A condutividade elétrica de um sólido iônico, ao contrário de um covalente, aumenta abruptamente ao se fundir, devido à sua condutividade iônica. Esta diferença de comportamento é um bom critério para diferenciá-los.

9 Condutividade Elétrica em sólidos covalentes A condutividade elétrica da maioria dos polímeros comerciais na temperatura ambiente encontra-se na faixa entre Ω -1 m -1 e Ω -1 m -1. Nos polímeros de alta pureza a condução é eletrônica. A condução iônica pode ser ativada pela presença de impurezas, restos de monômeros e catalizadores ou pelo aumento da temperatura. A presença de aditivos condutores pode aumentar a condutividade elétrica para valores na faixa entre 1 e 50 Ω -1 m -1, como é o caso de algumas borrachas de silicone.

10 Condutividade Elétrica em sólidos covalentes Alguns polímeros condutores foram descobertos recentemente. Eles apresentam condutividades tão altas como 1, Ω -1 m -1, o que representa, em termos de volume 1 4 da condutividade do cobre, ou o dobro, em termos de peso. Exemplos de polímeros condutores são o poliacetileno e a polianilina. Os mecanismos de condução dos polímeros condutores são pouco conhecidos.

11 Supercondutividade É a observação da resistência elétrica nula; 1911 Observou-se que a resistividade elétrica diminuía com a diminuição da temperatura 1913 Ganhou o prêmio Nobel de Física pelo descobrimento Heike Kamerling-Onnes 1986 Descoberta de supercondutores com temperatura crítica superiores a 23K

12 Supercondutividade

13 Termoeletricidade Indução de uma diferença de potencial ao longo do fio

14 Comportamento Dielétrico Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente. A constante dielétrica de um material é muito importante no projeto e na sua utilização em capacitores. A rigidez dielétrica é uma medida da tensão máxima que o material pode suportar antes de perder suas características de isolante. Os valores de rigidez dielétrica dos polímeros, cerâmicas e vidros estão na faixa de 10 a 40 V/mm.

15 Comportamento Dielétrico Tipos de materiais dielétricos: Materiais Ferroelétricos Apresentam constante dielétrica extremamente alta e capacitores fabricados com eles podem ser muito menores que os fabricados com outros materiais dielétricos Materiais Piezoelétricos São utilizados como transdutores, que são componentes que convertem energia elétrica em deformação mecânica e vice-versa. Eles são usados, por exemplo, em microfones.

16 PROPRIEDADES TÉRMICAS

17 PROPRIEDADES TÉRMICAS Introdução Resposta ou reação do material à aplicação do calor Tipos de energia térmica: Energia vibracional dos átomos; Energia cinética dos elétrons livres. Propriedades a serem trabalhadas: Capacidade térmica; Expansão térmica; Condutividade térmica.

18 PROPRIEDADES TÉRMICAS Capacidade Térmica Aptidão do material de absorver calor do meio externo; A definição matemática da capacidade térmica: C = dq dt Einstein e Debye mostraram que o calor específico aumenta até uma certa temperatura, denominada temperatura de Debye, tornando-se a partir daí aproximadamente constante.

19 PROPRIEDADES TÉRMICAS Capacidade Térmica

20 PROPRIEDADES TÉRMICAS Capacidade Térmica

21 PROPRIEDADES TÉRMICAS Dilatação Térmica Na ausência de transformações de fase, a maioria dos sólidos aumenta de dimensões durante o aquecimento e contrai durante o resfriamento. O coeficiente de dilatação térmica linear (α L ) é definido como: α L = l f l i l i T f T i Para materiais isotrópicos: α V α L

22 PROPRIEDADES TÉRMICAS Dilatação Térmica

23 PROPRIEDADES TÉRMICAS Condutividade Térmica É a propriedade que caracteriza a habilidade de um material para transferir calor; Para um fluxo estacionário de calor pode-se escrever: q = k dt dx

24 PROPRIEDADES TÉRMICAS Condutividade Térmica

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