Aula 05-CM, Notas de aula de Engenharia Mecânica

Baixe Aula 05-CM e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!

Propriedades Térmicas

PG-MEC - EME

Prof. Adriano Scheid

Propriedades Térmicas Entende-se como propriedade térmica como a resposta de um material à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, a sua temperatura e suas dimensões aumentam. A energia pode ser transmitida para regiões mais frias de uma peça ou amostra, se existirem gradientes de temperatura e, ao final, a amostra pode fundir. Dentre as propriedades críticas para um sólido temos: Capacidade Calorífica, Expansão Térmica, Condutividade Térmica.

Propriedades Térmicas: Capacidade Calorífica Vibracional Na maioria dos sólidos, a principal maneira de assimilação da energia térmica é pelo aumento da energia vibracional dos átomos. Os átomos em materiais sólidos estão constantemente vibrando em elevada frequência e baixa amplitude. Apesar de estarem independentes uns dos outros, as vibrações dos átomos adjacentes estão acopladas pelas ligações atômicas. Estas vibrações são coordenadas de tal forma que são produzidas ondas através do reticulado. Posições normais de átomos na rede Posições deslocadas devido às vibrações

Propriedades Térmicas: Capacidade Calorífica Vibracional As ondas podem ser consideradas como elásticas ou simplesmente ondas sonoras, que possuem comprimentos de onda curtos e altas frequências e se propagam no cristal na velocidade do som. A energia térmica vibracional para um material consiste de uma série de ondas elásticas, que possuem uma faixa de distribuições e frequências. Apenas certos valores são permitidos (a energia é dita estar quantizada), e um único quantum de energia vibracional é chamado de fônon. O espalhamento térmico dos elétrons durante a condução é causado por estas ondas vibracionais e estas ondas participam do transporte de energia térmica durante a condução térmica.

Propriedades Térmicas Acima de  D , (temperatura de Debye) o valor de C v se estabiliza e se torna independente da temperatura em um valor de aproximadamente 3 R (constante dos gases). Assim, embora a energia total do material esteja aumentando com a temperatura, a quantidade de energia necessária para produzir o aumento de um grau de temperatura é constante. Para muitos materiais sólidos,  D é inferior à temperatura ambiente. Um valor razoável para C v é de 25 J/molK para Temperatura ambiente. Temperatura (K) Capacidade Calorífica, C v

Propriedades Térmicas Material C p (J/kgK) k (W/mK)  l (ºC)-^1 x 10-^6  L (  W/(K)² x 10-^8 Metais Cerâmicos Polímeros Alumínio Cobre Ouro Ferro Níquel Prata Tungstênio Aço SAE 1025 Aço Inoxidável 316 Bronze (70Cu-30Zn) Kovar (50Fe-29Ni-17Co) Invar (64Fe-36Ni) Super Invar (63Fe-32Ni-5Co) Alumina (Al 2 O 3 ) Magnésia (MgO) Espinélio (MgAl 2 O 4 ) Sílica Fundida (SiO 2 ) Vidro de Cal de Soda Vidro Borossilicato (Pyrex) Polietileno de Alta Densidade Polipropileno Poliestireno Politetrafluoretileno (Teflon) Fenol-Formaldeído – Fenólico Nylon 6. Poliisopreno

Propriedades Térmicas Expansão Térmica Uma vez que todas as dimensões são afetadas pelo aquecimento ou resfriamento, ocorre uma alteração de volume: Onde V e V 0 são a variação de volume e o volume original e o parâmetro  v é conhecido como coeficiente volumétrico de expansão térmica. Em materiais Isotrópicos,  v

l Em materiais anisotrópicos  v é dependente da direção.

Propriedades Térmicas: Expansão Térmica Pela perspectiva atômica, a expansão térmica se reflete em um aumento na distância média entre os átomos. Para curvas normais (a) existe mudança na posição média e já em (b) para curva simétrica a distância média é a mesma. A expansão térmica se deve a (a). Maior força de ligação resulta em poço mais profundo e mais estreito, ou menores coeficientes de expansão térmica. Distância Interatômica Distância Interatômica Energia Potencial Energias Vibracionais Energia Potencial Energias Vibracionais

Propriedades Térmicas: Expansão Térmica Cerâmicas As demais Cerâmicas cristalinas são anisotrópicas, ou seja, quando aquecidas contraem em algumas direções e expandem em outras. Para vidros, o coeficiente de expansão térmica depende da composição do vidro. Vidros puros baseados em SiO 2 (Sílica) tem baixos coeficientes de expansão, o que é explicado pelo baixo empacotamento atômico, resultando em pequenas variações macroscópicas de dimensão quando aquecidos.

Propriedades Térmicas: Expansão Térmica Polímeros Os polímeros apresentam as maiores expansões térmicas no aquecimento. Polímeros lineares e ramificados são os que apresentam os maiores valores de  l , devido a presença de ligações fracas intermoleculares e ausência de ligações cruzadas. Os polímeros apresentam redução na expansão térmica à medida que o número de ligações cruzadas aumenta e os menores coeficientes de expansão são observados nos polímeros tridimensionais.

Propriedades Térmicas Mecanismos de Condução de Calor A condução de calor ocorre por ondas de vibração do reticulado (fônons) e pelos elétrons livres, sendo a condutividade térmica a soma das duas contribuições: Normalmente um ou outro termo domina o processo de condução. Metais Nos metais de elevada pureza, o transporte de calor por elétrons é mais eficiente que o transporte por fônons, pois os elétrons são menos facilmente espalhados que os fônons e tem maiores velocidades.

Propriedades Térmicas Metais O número de elétrons livres é grande nos metais e participam no processo de condução de calor. Uma vez que a condutividade elétrica e térmica dos metais é relativa aos elétrons nos metais puros, estes podem ser correlacionados pela Lei de Wiedemann-Franz : Onde  é a condutividade elétrica, T a temperatura absoluta e L uma constante.

Propriedades Térmicas Cerâmicas Materiais não metálicos são isolantes térmicos, devido ao reduzido número de elétrons livres. Neste caso, os fônons são responsáveis pela condução de calor, sendo k e << k l

Os fônons não são efetivos na condução de calor, uma vez que são espalhados pelos defeitos no reticulado. Vidros e outras Cerâmicas amorfas apresentam mais baixas condutividades térmicas em relação às Cerâmicas cristalinas, uma vez que o espalhamento de fônons é mais efetivo em estruturas irregulares ou desordenadas. A porosidade reduz a condutividade térmica, à medida que a condução do calor através dos poros é lenta a ineficiente.

Propriedades Térmicas Cerâmicas Para baixas temperaturas , à medida que a temperatura aumenta, maior o espalhamento causado pelo reticulado, resultando em menor condutividade. Para altas temperaturas , a condutividade térmica se eleva em função da transferência do calor radiante. Significantes quantidades de radiação infravermelha podem ser transportadas através das Cerâmicas transparentes. Condutividade Térmica (W/m

- K) Condutividade Térmica (cal/ cm - s - K) Temperatura (ºC) Temperatura (ºF) Grafite BeO puro e denso MgO puro e denso Al 2 O 3 puro e denso ZrO 2 estabilizado e denso