Propriedades Térmicas dos Materiais Alberto Carolina Felipe Mariana Mariane Paula Prof. Adilson Renófio Novembro/2006 Introdução Objetivo: entender de que forma que a temperatura altera as propriedades dos materiais. Propriedade Característica em termos do tipo e magnitude de resposta a um específico estímulo. Independente da forma e tamanho do material. Podem ser divididas em 6 categorias: Mecânica; Elétrica; Térmica; Magnética; Ótica; Deteriorativa 1
Propriedades Térmicas Resposta de um material à aplicação de calor. condutividade térmica difusividade térmica calor específico a = difusividade térmica (m 2 /s), k = condutividade térmica (W/mK), ρ = densidade (kg/m 3 ) e c = calor específico (J/kg K). Capacidade Calorífica É uma propriedade que é indicativa da capacidade de um material para absorver calor a partir das vizinhanças externas. É especificada por mol de material e representa a quantidade de energia requerida para produzir uma elevação unitária de temperatura. C = dq dt dq é a energia requerida para produzir uma elevação de temperatura dt Capacidade Calorífica Duas maneiras nas quais esta propriedade pode ser medida: volume da amostra constante(cv) pressão externa constante(cp) A Cp é sempre maior do que Cv (diferença é muito pequena para a maioria dos materiais sólidos à temperatura ambiente ou abaixo dela). 2
Capacidade Calorífica Sólidos Assimilação de energia térmica Aumento na energia vibracional dos átomos (freqüências altas e amplitudes pequenas) Acopladas em virtude da ligação atômica Ondas reticulares propagantes (elétrons livres) Condutividade elétrica e Térmica(energia) Capacidade Calorífica Outros mecanismos absorvedores de energia: Contribuição eletrônica no sentido do que elétrons absorvem energia pelo aumento da sua energia cinética (só elétrons livres, por exemplo: metais, apenas poucos elétrons em são capazes de tais transições) Randomização de spins de elétrons. Ex: material ferromagnético à medida que ele é aquecido. Um grande spike (prego grande, cravo, grampo para trilhos) é produzido na curva de capacidade calorífica versus temperatura na temperatura dessa transformação. Difusividade Térmica A difusividade térmica é uma medida da rapidez com a qual o calor se propaga através de um material. Para materiais poliméricos é uma propriedade fundamental no processo de moldagem por injeção 3
Coeficiente de Absorção ou Absortância (α) Fração da energia incidente absorvida por uma superfície. Absorção Um corpo negro, por exemplo, possui um coeficiente de absorção (α) igual a 1, o que significa que absorve 100 % da energia incidente ou que a transforma toda em calor. 4
Capacidade de Amortecimento É definida como a propriedade do fechamento em diminuir a amplitude das variações térmicas. Esse efeito se percebe mais nitidamente nos casos de grandes variações térmicas entre o dia e a noite. Retardo Térmico Pode ser definido como o tempo que leva uma diferença térmica ocorrida num dos meios para manifestar-se na superfície oposta do fechamento. O retardo térmico depende da condutividade térmica (k), calor específico (c), densidade absoluta (d) e espessura do material (L). Transmissão Térmica As transferências térmicas podem ser por condução, convecção e radiação. São expressos pelo coeficiente U. Quanto menor for o coeficiente U menor são as perdas térmicas. 5
Resistência Térmica A resistência térmica de um material também afeta a transmissão de calor. Expressa a resistência que o material oferece à passagem de calor. A resistência térmica pode ser determinada de acordo com a equação: R = L / k Onde: R = resistência térmica do material (m2.ºc /W) L = espessura do material (m) k = condutividade térmica (W / m.ºc) Resistência Térmica Quando uma superfície é composta de várias camadas, a transferência de calor de uma camada para outra acontece em menor quantidade, sucessivamente. Isso significa que sempre ocorre armazenamento de calor na estrutura durante as horas de temperatura externa mais alta, que é transmitido por condução num processo inverso, durante as horas de temperatura externa mais baixa. Resistência Térmica Tomando como exemplo o concreto e o poliestireno expandido, tem-se que para a mesma resistência térmica (R) seria necessário 60 cm de concreto e 1,2 cm de poliestireno expandido, que varia em função da condutividade térmica (k), que por sua vez varia em função da densidade absoluta de cada material. 6
Condutividade Térmica Determina os níveis de temperatura de trabalho de um material Expressa a quantidade de calor transmitido através de um corpo homogêneo Condutividade Térmica De acordo com a Lei de Fourier: K=qK/A dtdx Condutividade Térmica 7
Condutividade Térmica Teoria Cinética dos Gases Energia cinética dos gases está relacionada a temperatura Condutividade Térmica CONDUTIVIDADE TÉRMICA EM GASES Altas temperaturas Maior velocidade Baixas temperaturas Menor velocidade Moléculas mais rápidas cedem parte de sua energia térmica e momento para as mais lentas Condutividade Térmica em Gases Depende da sua temperatura: K²αT Independe da pressão 8
Condutividade Térmica em Líquidos Semelhante a dos gases Difícil de descrever e detalhes não são bem entendidos Diminui com o aumento do peso molecular Condutividade térmica dos líquidos é maior com a diminuição da temperatura Condutividade Térmica Figura 1 Variação da condutividade com a temperatura em gases (a) e liquidos (b). Condutividade Térmica Materiais sólidos consistem de elétrons e átomos livres Energia pode ser conduzida através de dois mecanismos: migração de elétrons livres e vibração do retículo cristalino Efeitos se adicionam mas o transporte por elétrons é mais eficaz 9
Condutividade Térmica em Sólidos não metálicos Condutividade determinada pela vibração do arranjo reticular Condutividade térmica é mais baixa que nos metais Condutividade Térmica em Isolantes Térmicos Estruturas contém espaços de ar pequenos que suprimem o movimento gasoso Baixa condutividade dos gases na redução da transferência de calor Transporte constituído de condução e radiação Condutividade Térmica Exemplo das espumas rígidas de poliuretano Possuem baixa condutividade térmica devido a sua baixa densidade e da sua estrutura de célula pequena e fechada 10
Condutividade Térmica Essas estrutura de célula são cheias com agentes de expansão auxiliares (AEAs) como os CFC's, CO2, HCFC's, pentanos, HFC's, etc. Condutividade Térmica A condutividade térmica final de uma espuma (ou fator K) é determinada em função da: radiação; condutividade térmica do gás e do polímero; e densidade da espuma Condutividade Térmica 11
Condutividade Térmica A espuma rígida de poliuretano, com densidade de 32 kg/m³, consiste de 3% de polímero e 97% de gás (% em volume) retido nas células fechadas da espuma. Condutividade Térmica A condutividade térmica, nas células fechadas das espumas rígidas de PU, devido à convecção é pequena e pode ser desprezada A condutividade térmica por radiação, só necessita ser levada em consideração em densidades menores que 30 kg/m³. Condutividade Térmica E importante a utilização de agentes de expansão auxiliares (AEAs) com baixa condutividade térmica, pois numa espuma bem formulada a condutividade térmica se situa cerca de 7 cal/m.hr.ºc, acima da condutividade térmica do AEA utilizado 12
Condutividade Térmica Condutividade Térmica Exemplificando a baixa condutividade térmica das espumas rígidas de PU: a) Placa de aquecimento; b) Anel de aquecimento; c) Amostra de teste; d) Termopar; e) Placas de resfriamento. Dilatação Térmica A temperatura de um corpo é o quanto sua moléculas estão agitadas Dilatação Térmica é a variação de qualquer dimensão linear de um corpo com a temperatura. Todos os corpos da natureza estão sujeitos a este fenômeno. 13
Dilatação Térmica Geralmente, quando esquentamos um corpo ou substância, esta tende a aumentar seu volume Expansão Térmica Quando a esfriamos, ocorre o oposto Contração Térmica O quanto o corpo se dilata depende de suas ligações intermoleculares, quanto mais fraca estas forem, maior a dilatação do corpo. Dilatação Térmica Visualização em um sólido: As moléculas estão presas umas as outras por ligações inter - moleculares formando uma estrutura cristalina. Dilatação Térmica A agitação de uma molécula faz com que ela tenha pontos extremos de seu movimento (amplitude de movimento de vibração). Quando a temperatura aumenta, a amplitude também aumenta. 14
Dilatação Térmica Como cada molécula aumentará sua agitação, cada uma delas vai precisar de mais espaço e a estrutura cristalina vai aumentar seu espaço como um todo. Dilatação Térmica A dilatação térmica é proporcional à: Natureza do material; Comprimento inicial; modificação de temperatura. Dilatação Térmica Existem três equações simples para determinar o quanto um corpo varia de tamanho. 1- Dilatação Linear 2- Dilatação Superficial 3- Dilatação Volumétrica 15
Dilatação Linear É a variação do comprimento de um material sólido pelo aquecimento. Ex: Barra metálica de comprimento inicial Lo,numa temperatura To. Após um aquecimento até a temperatura T, seu comprimento será L. Dilatação Térmica DL = Lo. a. DT O Coeficiente de dilatação linear, a, depende do material. Quando maior for este coeficiente, mais facilmente aumentará ou diminuirá seu tamanho. Dilatação Térmica Coeficiente de dilatação de alguns materiais: 16
Dilatação Superficial É a variação da área (2 dimensões) de um material pelo aquecimento. A = Ao. β. T Dilatação Volumétrica É a variação do volume de um material (3 dimensões) pelo aquecimento. V = Vo. γ. T Dilatação Térmica Obs: Para isótropos, os coeficientes de dilatação linear (α), superficial (β) e volumétrico (γ) se relaciona da seguinte maneira: β = 2α γ = 3α 17
Dilatação Térmica Entendendo a causa da dilatação: consideramos a curva que expressa a variação de energia potencial entre 2 átomos adjacentes de um sólido em função da distância entra eles. Esta apresenta uma assimetria ao redor da direção vertical da figura, responsável pelo fenômeno. O aumento da temperatura causa: Dilatação Térmica A energia interna passa de E1 para E2. A amplitude das vibrações térmica atômicas aumenta. Distância entre os átomos aumenta, passando de r1 para r2. Causando a dilatação. Dilatação de Líquidos Como os líquidos não têm forma definida, só há sentido em falarmos de dilatação volumétrica dos líquidos. Ocorre de forma semelhante à dilatação dos sólidos. Porem deve-se considerar a dilatação do recipiente que o liquido esta inserido, que ocorre simultaneamente 18
Dilatação de Líquidos Para se constatar a dilatação de um certo líquido pode-se realizar a seguinte verificação: aquece-se um recipiente com líquido até a borda e observa-se o volume do liquido extravasado. Dilatação de Líquidos Dilatação de Líquidos Observa-se uma dilatação aparente desse líquido, correspondente ao volume de líquido extravasado. A dilatação real é dada por: V = Vrec + vap γ= γ(rec) + γ(ap) Rec=do recipiente Ap=aparente 19
Dilatação Anômala da Água A dilatação da água não segue o padrão normal da maioria das demais substâncias que se dilatam com um aumento de temperatura. Dilatação Anômala da Água A dilatação regular da água ocorre apenas a partir de 4ºC. Entre 0º e 4ºC a água se contrai Dilatação Anômala da Água Isto se deve à presença de pontes de hidrogênio em temperaturas menores ou iguais a 0º C, que fazem aumentar a distância intermolecular, aumentando o volume. Essas pontes rompem-se entre 0º e 4ºC, ocasionando uma diminuição do volume. Entre 4ºC e 100ºC a água dilata-se normalmente. 20
Dilatação Anômala da Água A partir do gráfico do volume da água em função da temperatura podemos concluir que a densidade da água é máxima em 4ºC. A água a 0 C se expande subitamente, em função das ligações moleculares, e sua densidade diminui de aproximadamente 1g/cm 3 para 0,9 g/cm 3. O gelo, se resfriado, contraise normalmente. Dilatação de um Anisótropo Em um material anisótropo, a dilatação não é a mesma para todas as direções. Assim, para diferentes direções teremos coeficientes de dilatação diferentes. Sejam os coeficientes de dilatações lineares α x, α y e α z, nas direções x, y e z, respectivamente. A dilatação volumétrica é dada por: V=γ.Vo. T γ = α x + α y + α z Resistência mecânica A resistência dos materiais é influenciada diretamente pela temperatura. Com o aumento da temperatura há uma diminuição da resistência. 21
Metais O aumento da temperatura faz com que as discordâncias tenham mais mobilidade. O deslocamento das discordâncias resulta em deformação plástica dos metais. Em temperatura baixa as discordâncias não conseguem se livrar umas das outras e acontece encruamento. Tratamento térmico É aplicado para alterar as propriedades dos metais Descoberto pelos romanos (armas) Aquecer e resfriar Altera as propriedades físicas: Dureza, elasticidade, ductibilidade, resistência à tração, etc. Não modifica o estado físico Tratamento térmico Propriedades dependem de três fatores: temperatura de aquecimento velocidade de resfriamento composição química do material 22
Tratamento térmico Peça depois de aquecimento na fase de tratamento térmico Estrutura Cristalina A mudança de temperatura interfere na estrutura cristalina dos metais. O ferro por exemplo passa de CCC para CFC em altas temperaturas. Plásticos Nos plásticos (polímeros) o aumento da temperatura faz com que as cadeias tenham mobilidade pela quebra das ligações secundarias entre as cadeias. Com isso perdem-se propriedades estruturais, e a deformação ocorre de forma mais fácil. 23
Plásticos Os polímeros podem ser divididos em termoplásticos, termorrígidos (termofixos) e elastômeros (borrachas). Cada categoria reage de forma diferente ao aquecimento. Termoplásticos São os mais encontrados no mercado. Se fundem em alta temperatura, tornando se líquidos. Podem ser fundidos diversas vezes, Sua reciclagem é possível, característica bastante desejável atualmente. Sob temperatura ambiente, podem ser maleáveis, rígidos ou mesmo frágeis. Ex: polietileno (PE), polipropileno (PP), poli(tereftalato de etileno) (PET), policarbonato (PC), poliestireno (PS), poli(cloreto de vinila) (PVC), poli(metilmetacrilato) (PMMA). Termorrígidos Também chamados termofixos Rígidos e frágeis, sendo muito estáveis a variações de temperatura. Uma vez prontos, não mais se fundem. O aquecimento do polímero acabado promove decomposição do material antes de sua fusão, tornando sua reciclagem complicada. Ex: Baquelite: usada em tomadas; Poliéster: usado em carrocerias, caixas d'água, piscinas, etc., na forma de plástico reforçado (fiberglass). 24
Elastômeros (Borrachas) Classe intermediária entre os termoplásticos e os termorrígidos: não são fusíveis, mas apresentam alta elasticidade, não sendo rígidos como os termofixos. Reciclagem complicada pela incapacidade de fusão. Ex: pneus, vedações, mangueiras de borracha. Cerâmicas Nas cerâmicas a temperatura na qual é cozida durante a sua fabricação determina, juntamente com a composição da mesma (sílica e óxidos) as propriedades do produto final. Pode se obter desde pisos até materiais muito resistentes ao atrito e ao calor. Muito utilizada como isolante térmico. Semicondutores São materiais cuja condutividade elétrica, ao contrário do que ocorre com os condutores normais, aumenta com a temperatura. Assim, são condutores nas temperaturas usuais e isolantes nas baixas temperaturas. 25
Semicondutores Além do germânio, do silício e de alguns outros elementos, são semicondutores uma grande quantidade de substâncias entre as quais se destacam os compostos binários constituídos por átomos de grupos diferentes da tabela periódica como, por exemplo, GaAs, AlSb e InSb. Semicondutores Quando a temperatura ambiente está acima do zero absoluto (-273 C), a energia térmica do ar em torno faz os átomos do cristal de silício vibrar num vaivém dentro do cristal de silício. Quanto mais alta a temperatura, mais fortes são as vibrações mecânicas desses átomos. Nanocomponentes Variações de temperatura causam alterações nas medidas físicas do componente de tal forma, que podem vir a danificá-lo. Controle através de dissipadores. 26