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FCM 208 Física (Arquitetura)
Estruturas e constituintes da Materia
Prof. Dr. José Pedro Donoso
Universidade de São Paulo
Instituto de Física de São Carlos - IFSC
Classificação dos Materiais
Metais : São resistentes e boms condutores de eletricidade. Muitas de suas
propriedades são atribuidas ao grande número de eletrons não localizados.
Polímeros : materiais sintéticos, compreendem os plásticos e borrac has. São
compostos orgánicos e possuem longas moléculas todas emar anhadas
Cerâmicos : óxidos, nitretos ou carbetos, são compostos com element os
metálicos e não metálicos. Inclui também os minerais argi losos, cimento e
vidros. São duros, porém muito quebradizos.
Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas. A matrix pode ser
polímérica, metálica ou cerâmica.
Biomateriais : empregados para implantes no corpo humano. Não devem
produzir substâncias tóxicas e devem ser bio - compatíve is
Características dos materiais
Sistemas cristalinos : possuem estrutura regular, periodicidade e ordem de
longo alcance. Os átomos se ordenam em estruturas de diferentes simetrias:
cúbicas, tetragonal, ortorrômbica, etc
Sistemas Poliméricos : (plásticos) estrutura na forma de cadeias.
Fases cristalinas e amorfas
Sistemas amorfos : (vidros) São sistemas desordenados. Estruturas sem
regularidade (não periódicas). Possuem ordem de curto al cance
Argilas e cerâmicas : materiais inorgánicos, não moleculares e não
metálicos
Compósitos : materiais reforçados com fibras ou partículas.
Matrix de polímero, metálica ou cerâmica.
Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC)
Os materiais e suas densidades
Propriedades dos materiais
- mecânicas (resistência, dureza, elasticidade)
- elétricas (condutividade, resistividade elétrica, comportamento dielétrico)
- térmicas (capacidade calorífica, expansão térmica, condutividade térmica)
- óticas (absorção, transmissão, refrigência e trasparência)
- acústicas (absorção acústica)
- magnéticas (diamagnetismo, paramagnetismo, ferromagnetismo)
- nucleares (emissão radioativa)
Leituras recomendadas:W.D. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)
W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)
D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)
Propriedades mecânicas dos materiais : dureza
Dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (uma pequena impressão ou um risco). Em 1822, o mineralogista Friedrich Mohs propôs uma escala de dureza para os minerais naturais:
1 – Talco 2 – Gesso 3 – Calcita
4 – Fluorita 5 – Apatita 6 – Ortoclásio
7 – Quartzo 8 – Topázio 9 – Safira ou corundum
10 – Diamante
Ao longo dos anos foram desenvolvidas técnicas quantitativas, como os ensaio de
dureza de Rockwell e de Brinell, e os ensaios de microdureza de Knoop e Vickers
Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)
Sólidos cristalinos
Estes sólidos possuem ordem de longo alcance, pois conservam a regularidade da
estrutura que se repete indefinidamente em todas as direções.
A menor unidade de um cristal é a célula unitária que, ao ser colocadas uma ao lado da
outra num arranjo periódico, reproduzem todo o cristal.
Os arranjos que os átomos formam no cristal são chamados de rede cristalina.
Também pode-se formar um sólido policristalino constituído por muito pequenos
monocristais dispostos de forma desordenada dentro do material.
O parâmetro de rede mede a dimensão da célula unitária. Nos cristais iônicos, por
exemplo, este parâmetro varia entre 4 Å no LIF até 7.4 Å no RbI
Unidade: angstrom, 1 Å = 10-8 cm = 10-10 m = 10 nm (nanometro)
Tem uma estrutura chamada de
cúbica de faces centradas, na qual
cada íon tem 6 vizinhos mais
próximos com carga oposta.
Cristais iônicos, como LiF, KCl e
AgCl, possui esta estrutura.
Alguns elementos, como prata, o
alumínio, o ouro, o cálcio, o cobre, o
níquel e o chumbo, também
cristalizam com esta estrutura.
O parâmetro de rede (ou seja, a
dimensão da célula) deste cristal é de
5.6 Å (56 nanometros).
Cristal de cloreto de sódio, NaCl
Coleção Conhecer Atual: Ciências(Editora Nova Cultura, 1988)
Estrutras
cristalinas
Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)
Wurtzita →
← Perovskita
← NiAs
Esfalerita →
D.A. McQuarrie, P.A. Rock, General Chemistry (3rd edition. Freeman 1991)
O cristal de cloreto de sódio, NaCl tem uma
estrutura cúbica de faces centradas
Outros sistemas cristalinos como CsCl, CuZn
e o CaS, e elementos como o bário, o césio,
o ferro, o potássio, o lítio, e o sódio,
cristalizam com a estrutura cúbica de corpo
centrado na qual cada íon tem 8 vizinhos
mais próximos com a carga oposta.
Em alguns sólidos covalentes, a estrutura cristalina
é determinada pela natureza direcional das
ligações.
A figura mostra a estrutura cristalina que adota o
carbono no grafite, com camadas planares
separadas por 3.35 Å
Estrutura do grafite
Como consequência das fracas
ligações interplanares, a clivagem
interplanar é fácil, o que dá origem às
excelentes propriedades lubrificantes
Cristal muito compacto onde cada átomo de carbono
une-se a outros quatro iguais situados nos vértices de
um tetraedro regular.
O diamante é conhecido como o elemento de maior
dureza e os de uso industrial são sintetizados a 2000oC
e pressões de 70 kbar usando catalisadores metálicos.
O diamante é isolante elétrico, sem cor e muito refrigente (que desvia os raios luminosos) propriedade que lhe confere grande brilho.
O maior diamante natural encontrado atéagora tem um tamanho de 3160 carat(1 carat equivale a 0.200 g).
Estrutura do diamante
Coleção Conhecer Atual: Ciências (Editora Nova Cultura)
Metais: ferro e aços
O ferro é um dos mais importantes e difundidos metais do mundo. Não existem porém,
jazidas de ferro nativo em estado de metal puro (como as de ouro e prata). Ele é extraido
de minérios, como a hematita, a magnetita, a limonita e a pirita. Tampouco o que
chamamos de ferro é um metal puro; trata-se de uma liga de metal de ferro e pequenas
quantidades de carbono. A adição de carbono melhora as propriedades do ferro,
tornando-o mais duro e resistente.
As ligas de Fe – C são conhecidas, genericamente, como aço e ferro gusa. Se a
quantidade de carbono presente na liga é inferior a 2%, esta chama-se aço. Acima disso
chama-se ferro gusa.
A fabricação de aço e gusa a partir do minério de ferro ocorre nas usinas siderúrgicas.
As materias primas – minerio de ferro, carvão (coque), fundentes (cal, calcário) e ar - são
introduzidas no alto-forno. O coque entra em combustão e produz monóxido de carbono,
o principal agente redutor do minério de ferro.
Pirometalúrgica
Os fornos são continuamentealimentadosno topo, com uma misturade minério (Fe2O3, Fe3O4), coque(carbono obtido pelo aquecimento do carvão em ausência de ar) e pedracalcária (carbonato de calcio).
Cada kilo de ferro produzido requer1.75 kg de minério, 0.75 kg de coque e 0.25 kg de pedra calcária. Esta últimaajuda na remoção das impurezas do minério. O ferro fundido sai como ferro“sujo” (90-95% Fe + 3-5% C + 2% Si).
Atkins & Jones: Princípios de Química, Mauricio Prates de Campos: Introdução a metalurgica extrativa e siderurgia
Uma liga é um metal que contém pequenas
quantidades de outros elementos. Isso altera as
propriedades naturais do metal.
As chapas de aço são feitas de ligas de ferro
contendo baixa quantidade de carbono. Ele é
mais forte que o ferro-gusa, mas mais maleavel,
podendo ser facilmente convertido em barras,
lâminas ou outras formas.
Pequenas quantidades de cromo produz a liga
chamada aço inoxidável, resistente a corrosão.
Com um pouco de tungtênio se forma o aço
rápido, uma liga forte utilizada para ferramentas
de retífica.
Ligas metálicas
Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril livros, 1996)
Classificação das ligas ferrosas com base no teor de ca rbono:
Ferro : contém menos de 0.008%p de C. Composto exclusivamente pela ferrita
Aços : de 0.008 a 2.14%p de C. Sua microestrutura consiste de fase α e de Fe3C
Aços inoxidáveis: altamente resistentes a corroção. A adição de cromo, niquel oumolibdênio tem um grande efeito nas suas propriedades. Exemplos: aço 409 (componentes automotivos): 0.8 de C + 11 Cr + 0.5 Ni + 0.75 Ti (em %p)aço 304 (proc. de alimentos e vasos criogênicos): 0.08 de C + 19 Cr + 9 Ni + 2Mn
Ferros fundidos comerciais: contém de 2.14 a 4.5%p de CarbonoAs ligas dentro dessa faixa de composiçào fundem a 1150 – 1300 oC, sendo derretidoscom facilidade nas fundições.
Exemplos de ferros fundidos: SAE G2500: 3.2-3.5 de C+ 2.2 de Si+ 0.8 Mn. Matriz: ferrita + perlita (fab.de pistões)ASTM A56: 3.5-3.8 de C+ 2-2.8 de Si+ 0.05 Mg. Matriz: perlita (valvulas e bombas)3510: 2.3-2.7 de C+ 1.0-1.75 de Si+ 0.5 Mn. Matriz: ferrita (engenharia de altas T)
A figura mostra as microestructuras
do ferro fundido obtidas pela
variação da composição e do
tratamento térmico. Os flocos
escuros indicam o grafite circundado
por uma matriz de ferrita α ou
perlita.
Os ferros fundidos formam uma
classe de ligas que possui teores
de carbono de 2.1 a 4.5 %.
Ferros fundidos
Callister
Ciência e Engenharia de Materiais
Cerâmicas
O termo cerâmica vem do grego e significa terra cozida. Ele é aplicado a materiais
inorgânicos não moleculares e não metálicos.
Nas cerâmicas, os ingredientes são fundidos de modo que os átomos se ligam,
agrupando-se em arranjos tridimensionais (chamados cristais). Em muitas
cerâmicas os cristais se ligam em grandes grupos chamados grãos policristalinos.
A estrutura desses grãos determina a dureza, a porosidade e a temperatura de
fusão da cerâmica.
As novas cerâmicas avançadas combinam resistência mecânica e térmica, além
de dureza e estabilidade química. Entre as cerâmicas mais conhecidas estão as
do sistema da zircônio - calcita: ZrO2 – CaO, e os alumino - silicatos: SiO2 – Al2O3.
Classificação dos materiais cerâmicos
A classificação inclui os seguintes grupos: vidros, argilas, refratários, abrasivos, cimentos e as recentemente desenvolvidas cerâmicas avançadas
Callister, Ciência e Engenharia de Materiais
Na : ββββ - alumina (Al 2O3)
A β-alumina de sódio é um exemplo de um material
mecanicamente duro que é um bom condutor iônico. Os
planos de condução – onde se acomodam os íons Na –
ficam entre os blocos Al2O3 rígidos e densos.
Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)
Compostos de silício com oxigênio
A afinidade do silício pelo
oxigênio explica a existência de
uma grande variedade de
silicatos minerais e compostos
sintéticos. A figura mostra a
unidade SiO4 desenhada como
um tetraedro.
As argilas são aluminosilicatos,
compostos por alumina (Al2O3) e sílica
(SiO2), as quais contêm água
quimicamente ligada.
Elas possuem uma ampla faixa de
características físicas, composições e
estruturas.
Quando materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas elevadas,
ocorrem a vitrificação, a formação gradual de um vidro que flui e preenche parte do
volume dos poros. A figura mostra uma micrografia eletrônica de uma porcelana
cozida onde podem ser vistos grãos de quartzo (grandes partículas escuras) com
bordas de solução vitrea; regiões de material fundente feldspato parcialmente
dissolvido, agulhas de mulita (3Al2O3 – 2SiO2) e poros (buracos escuros com borda
branca). Ref: Callister, Ciência e Engenharia de Materiais
Argilas
Shriver & Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (LTC, 2002)
Os aluminosilicatos são os principais responsáveis pela rica variedade do
mundo mineral. Entre aqueles com estrutura de camadas – que também contêm
metais como lítio, magnésio e ferro, temos as argilas, o talco e as micas.
A unidade que se repete num alumino-silicato consiste de uma camada de silicato
com a estrutura mostrada na figura. Um exemplo é a caulinita, Al2(OH)4Si2O5 usado
para fazer porcelanas. Quando água é adicionada, as moléculas de água se
posicionam entre as lâminas em camadas e formam uma película fina ao redor das
partículas de argila, dando como resultado a plasticidade da mistura água – argila.
Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)
Cerâmicas avançadas
Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)
Algumas cerâmicas avançadas superam o ferro
fundido, o aluminio e o aço nos testes de rigidez
(resistência a dobra) e de dureza (resistência ao
corte). Essas propriedades tornam a cerâmica
A preferida para peças de máquinas.
Cerâmicas refratárias
As propriedades características destes materiais incluim a capacidade de resistir a
temperaturas elevadas sem fundir ou descompor, e a capacidade de permanecer inerte
frente a ambientes severos. Aplicações típicas: revestimento de fornos para o refino de
metais, a fabricaçào de vidros e tratamento térmico metalurgico.
Callister, Ciência e Engenharia de Materiais (LTC, 2002)
Cimentos e Concretos
Vários materiais cerâmicos são classificados como cimentos inorgánicos: cimento,
gesso e cal, os quais quando são misturados com água formam uma pasta que
pega e endurece. A tradição inglesa considera a saca de cimento de 94 lb (42.6 kg).
Estrutura da Matéria. Coleção Ciência & Natureza (Time Life e Abril Livros, 1996)
Cimento
Principais constituintes:
3CaO ·Al2O3 [chamado 3C·A]
2CaO · SiO2 silicato dicálcico [2 C · S]
3CaO · SiO2 silicato tricálcico [3C · S]
4CaO ·Al2O3 ·Fe2O3 [4C ·A· F]
O cimento Portland é produzido pela
moagem e mistura de argila e minerais
que contêm cal nas proporções
adequadas, aquecida até 1400 oC em
um forno rotativo. O produto (clínquer) é
então moído na forma de um pó muito
fino, ao qual adiciona-se uma pequena
quantidade de gesso (CaSO4 • 2H2O).
Cimentos portland :Tipo I : de aplicação geral. Usado em passeios, edifícios de concreto, pontes e açudes
Tipo II : cimento resistente ao ataque de sulfatos. Usado em plataformas de cais e em
grandes muros de sustentação.
Tipo III : cimento de endurecimento rápido.
Tipo IV : cimento de baixo calor de hidratação. Usado em estrutras de concreto muito
espessas, como barragens, nas quais o calor gerado durante a cura é um fator crítico
Tipo V : cimento resistente aos sulfatos. Usado em concretos em contato com solos e
águas subterrâneas que contém um alto teor de sulfatos
O concreto consiste de quatro ingredientes: o cimento, o agregado (mistura de
pedregulhos e cascalho), a areia e a água. Quando se adiciona água, ela reage
quimicamente com os minerais do cimento, formando um composto altamente adesivo
que envolve as partículas agregadas e adere a elas. Em poucas horas, essa pasta
endurece (cura). Boa parte da água fica ligada dentro dele, em uma nova composição.
O cimento não seca, ele endurece
Exemplo : Preparação da massa de concreto
Determinar a quantidade de água, cimento, areia e agregados (pedregulhos) necessários
para formar 1 m3 de concreto numa razão (em massa) água : cimento = 0.4, e de cimento
: areia : agregados = 1 : 2.5 : 4.
Solução: Com as densidades do cimento 3.04 g/cm3, da areia: 2.56 g/cm3, dos
agregados 2.72 g/cm3 e da água: 1 g/cm3, se calcula em primeiro lugar, o volume de
cimento, areia, agregados e água usados para preparar o concreto com uma saca de
cimento. A seguir se calcula quantas sacas de cimento se precissam para preparar 1
metro cúbico de concreto. Finalmente se calcula a quantidade de material necessário
para preparar o concreto na proporção exigida.
Leituras recomendadas:
W.D. Callister: Ciência e Engenharia de Materiais (Editora LTC)
W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)
D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)
Vidros
Quando um líquido é resfriado bruscamente, o realinhamento molecular não
acontece, e o sólido que se forma não é cristalino senão amorfo. O vidro é um
exemplo de sólido amorfo. Estes materiais sólidos são sistemas desordenados onde
as moléculas formam redes desorganizadas, e possuem apenas ordem de curto
alcance (∼ 10 Å).
Composição (em % massa) do vidro de janela:
73.2 SiO2 - 13.4 Na2O - 10.6 CaO - 0.8 K2O - 1.3 Al2O3 - 0.7 MgO - 0.1 Fe2O3
Muitos outros óxidos (como B2O3, GeO2 e P2O5) e fluoretos (como ZrF4) também
formam vidros. O vidro tem uma miríade de empregos, como em fibras ópticas e
fibras isolantes. Vidros especiais, como o borosilicato, são tão resistentes ao calor
que serve para fabricar panelas de cozinha.
A figura ilustra a diferença entre um cristal e um vidro. Tanto o vidro como o quartzo
são igualmente constituídos por sílica (SiO2). As moléculas do quartzo formam uma
rede cristalina ordenada e regular. No vidro, as moléculas formam redes
desorganizadas que não são líquidos, nem apresentam a estrutura cristalina com
ordem de longo alcance que caracteriza os sólidos cristalinos.
Um polímero é uma molécula em forma de cadeia, feita de um grande número de moléculas pequenas – monômeros - que se interligam pelas extremidades.
Muitos polímeros existem na natureza, tal como a borracha, a seda e a lã.
Os plásticos são feito de polímeros sintéticos, chamadas resinas. As resinas termoplásticas amolecem ao ser aquecidas e são fácil de moldar.
As resinas termorrígidas são as que ficam muito duras depois de aquecidas em altas temperaturas. Com eles se fabricam canecas e outros objetos resistentes ao calor.Segmento de polietileno: - (C2H4) -
Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times
Polímeros e plásticos
Trefil & Hazen, Física Viva (Editora LTC)
1868 – J.W. Hyatt,um jogador de bilharque procurava um substituto do marfim, obtem o celuloide
1909 – Leo Hendrik Baekeland produz a fragil baquelita
1922 - Hermann Staudinger desvenda a natureza dos plásticos.
1928 - Otto Rhöm cria o Pexiglas
Anos 30 - Wallace Carothers produz o nylon, uma fibra cuja aplicação se tornoucada vez mais ampla e variada.
1954 – o químico italiano Giulio Natta fabrica o polipropileno, provocando umaverdadeira revolução no campo dos plásticos.
Uma das mais importantes aplicações
dos polímeros é na produção de fibras
sintéticas.
Derretindo e esticando os fios, o
polímero pode ser tecido e costurado,
conseguindo-se tecidos leves e
resistentes.
A primeira fibra sintética foi o nylon,
inventado pela Du Pont em 1930.
Ele foi seguido por outras fibras como
o poliéster e o acrílico.
Estrutura da MatériaColeção Ciência & Natureza
(Time Life e Abril Livros, 1996)
Representação esquemática das
estruturas do monômero e da cadeia do
(a) Politetrafluoretileno (teflon)
(b) Cloreto de polivinila (PVC)
(c) Polipropileno
Abaixo: Polietileno, cadeia, unidade
monomêrica e perspectiva da molécula
Callister
Ciência e Engenharia de Materiais
Teflon
Quando todos os átomos de
hidrogênio no polietileno são
substituidos por átomos de fluor, o
polímero resultante é o
politetrafluoroetileno (PTFE),
conhecido pelo nome comercial
Teflon (- CF2 – CF2 – CF2 – CF2 -)
Como as ligações C-F são muito
fortes, o Teflon é um material não
reagente e inflamável. Ele é utilizado
para vedações, tubulações de
produtos químicos, mancais e
revestimentos antiadesivos.
Hill & Kolb, Chemistry for Changing Times
Hill & Kolb, Chemistry for Changing TimesCallister, Ciência e Engenharia de Materiais
Cloreto de polivinila (PVC)
A estrutura é uma pequena variação do
polietileno, onde o último em cada
quatro átomos de hidrogênio é
substituido por um átomo de Cl.
As aplicações típicas são revestimentode pisos, tubulações, isolamento elétricode fios, mangueiras de jardim e disquetes.
Borrachas
O termo borracha indica tanto o produtonatural extraido da seringueira quanto a borracha artificial produzida a partir de derivados do petróleo.
A borracha natural é constituida pelo poli-isopreno que se forma pela polimerizaçãode isopreno.
A borracha crua é de pouca utilidade, pois no frio ela é dura e quebradiza. Em1839, Charles Goodyear deixou cairacidentalmente uma mistura de borrachae enxofre numa chapa quente, e verificouque as propriedades da borrachamelhoravam muito. O processo ficouconhecido como vulcanização
Na borracha vulcanizada, as ligações
(pontes) entre átomos de enxofre
permitem que ela volte a forma inicial
após ter sido deformada
Asbestos : são fibras minerais de ocorrência natural. A crisotila - Mg3Si2O5(OH)4 – possuiuma camada em lâminas de silicato. A amosita e a crocidolita tem estrutura de cadeiadupla de silicatos e aparecem como agulhas quando observadas num microscópio. Porvolta de 1900 as chapas de cimento – amianto eram produzidas em grandes quantidadepara uso em construção civil. Na decada de 1960, as doenças respiratórias associadascom a exposição aos asbestos levou a uma redução ou banimento do seu uso. Considerado cancerígeno pela OMS, todos os tipos de amianto estão banidos desde2005. Os asbestos ainda usados hoje são confinados em uma matriz de cimento ou emresinas orgânicas.
Ref: Shriver & Atkins, Química Inorgánica (Bookman, 2008)
Preocupações
Ambientais
Mina de amianto em Minaçu (GO)Produção: 300 mil ton. fibras/ano
Preocupações ambientais
Tintas com chumbo : os sais de chumbo tem sido muito usados em pigmentos e tintas:
o PbCrO4 é amarelo, Pb3O4 é vermelho e Pb3(OH)2CO3 é branco. Como as pinturas se
desgastam, os compostos de chumbo se dispersam na poeira. Em 1927, o chumbo foi
banido das tintas para interiores em toda Europa. Nos EUA foi banido somente em 1971.
Por causa das tintas com chumbo nas paredes, estima-se que cerca de 20% das
crianças que vivem em casas de cidades do interior dos EUA, constridas antes de 1946,
possuim níveis elevados de chumbo no sangue.
Uma vez que o Pb2+ tem um raio iônico similar ao Ca2+, pode substituir o calcio na
hidroxiapatita dos ossos, Ca5(PO4)3(OH). Isso permite o chumbo circular no sangue,
atingindo alvos críticos nos tecidos nervosos. Estudos epidemiológicos tem associado a
presença de chumbo no sangue a dificuldades de crescimento, audição e
desenvolvimento mental.
Ref: Shriver & Atkins, Química Inorgánica (Bookman, 2008)
W.D. Callister, Ciência e Engenharia de Materiais. Uma introdução (Editora LTC)
D.F. Shriver, P.W. Atkins, Química Inorganica (Bookman, 2008)
W.F. Smith: Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais (McGraw Hill)
L.H. Van Vlack, Princípios de Ciência dos Materiais (Editora E. Blucher, 1970)
D.A. Askeland, P. Phulí, The Science and Engineering of Materials (Thomson)
J.W. Hill & D.K. Kolb, Chemistry for changing times, 7th edition (Prentice Hall 1995)
Referências bibliográficas
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