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Propriedades térmicas em
Materiais
FACULDADE SUDOESTE PAULISTA
Ciência e Tecnologia de Materiais
Prof. Msc. Patrícia Correa
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Noções importantes para entendermos os mecanismos de transporte
através dos materiais (Sólidos na maior parte dos casos).
Ligações Químicas
- Iônica
- Covalente
- Metálica
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Ligação Iônica
Teoria
do
octeto
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Representação esquemática da
ligação iônica para o NaCl
• Resulta da atração
mútua entre íons
positivos e negativos
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Ligação Covalente
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Representação esquemática da ligação covalente
em uma molécula de metano.
• Os átomos atingem a
configuração estável
compartilhando
elétrons com um
átomo adjacente
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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
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Modelo da Ligação Metálica
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União de dois átomos de sódio por meio da
ligação metálica
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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
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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
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Ilustração esquemática da ligação
de van der waals
• São ligações
secundárias fracas
que estão
relacionadas a
atração de dipolos
elétricos
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Atração por pontes de hidrogênio entre
moléculas de água
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Expansão da água no estado sólido
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Ligações químicas em relação aos tipos de
materiais
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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
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Definições importantes:
- Temperatura
- Calor
- Mecanismos de propagação de calor
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Energia térmica •É a energia associada ao movimento de translação, rotação
e vibração das partículas de um corpo.
•A temperatura é a grandeza física macroscópica
relacionada à movimentação das partículas.
Sistema I Sistema II
Menor energia térmica Maior energia térmica
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Calor:
É uma forma de energia em trânsito que passa, de
maneira espontânea, do corpo de maior temperatura
para o de menor temperatura.
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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.
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22
Mecanismos de propagação de calor
• Condução – Sólidos preferencialmente
• Convecção – Líquidos e gases – fluidos
• Radiação térmica – Ondas eletromagnéticas
Condução Convecção Radiação térmica
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23
Condução
A transmissão de calor ocorre, partícula a partícula,
somente através da agitação molecular e dos choques entre as moléculas do meio.
Calor
Condução de calor ao longo de uma barra.
Condução de calor ao longo de gás confinado.
T1 > T2
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Comportamento dos materiais quando
sofrem variação de temperatura
Fenômeno de dilatação térmica
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CALOR
VARIAÇÃO DE
TEMPERATURA
DILATAÇÃO E
CONTRAÇÃO TÉRMICAS
SÓLIDOS
SUPERFICIAL VOLUMÉTRICA LINEAR
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•Todos os
corpos se
dilatam ou se
contraem
com o
aumento ou
a redução da
temperatura.
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DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS
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Com a variação na
temperatura de um
sólido, as partículas que
o constituem vibram,
menos ou mais, em
torno de sua posição de
equilíbrio.
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Dilatação linear dos sólidos
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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
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Dilatação linear dos sólidos
•Expressão geral da dilatação (ou contração) linear de um sólido:
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Dilatação linear dos sólidos R
-P/K
INO
R-P
/KIN
O
FO
TO
HU
NT
ER
/SH
UT
TE
RS
TO
CK
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DILATAÇÃO SUPERFICIAL
•A dilatação de alguns corpos, como azulejos e blocos de concreto, é mais
perceptível em duas dimensões.
LU
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DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA
De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre:
• variação da dimensão;
• dimensão inicial;
• variação da temperatura.
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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 ).
QC
t
A unidade de capacidade térmica, no SI, é o Joule/Kelvin
(J/K);
Também é encontrado cal /º C
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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.
Calor - Mudança de fase
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Mudança de fase
Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura,
podemos alterar o estado de agregação da matéria.
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Curvas de aquecimento ou resfriamento
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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.
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Diagrama de Fase
Água e seu ponto triplo:
Coexistem as fases:
Sólida, líquida e gasosa