Propriedades térmicas em

Materiais

FACULDADE SUDOESTE PAULISTA

Ciência e Tecnologia de Materiais

Prof. Msc. Patrícia Correa

Noções importantes para entendermos os mecanismos de transporte

através dos materiais (Sólidos na maior parte dos casos).

Ligações Químicas

- Iônica

- Covalente

- Metálica

Ligação Iônica

Teoria

do

octeto

Representação esquemática da

ligação iônica para o NaCl

• Resulta da atração

mútua entre íons

positivos e negativos

Ligação Covalente

Representação esquemática da ligação covalente

em uma molécula de metano.

• Os átomos atingem a

configuração estável

compartilhando

elétrons com um

átomo adjacente

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

Modelo da Ligação Metálica

União de dois átomos de sódio por meio da

ligação metálica

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

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

Ilustração esquemática da ligação

de van der waals

• São ligações

secundárias fracas

que estão

relacionadas a

atração de dipolos

elétricos

Atração por pontes de hidrogênio entre

moléculas de água

Expansão da água no estado sólido

Ligações químicas em relação aos tipos de

materiais

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

Definições importantes:

- Temperatura

- Calor

- Mecanismos de propagação de calor

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

Calor:

É uma forma de energia em trânsito que passa, de

maneira espontânea, do corpo de maior temperatura

para o de menor temperatura.

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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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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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

Comportamento dos materiais quando

sofrem variação de temperatura

Fenômeno de dilatação térmica

CALOR

VARIAÇÃO DE

TEMPERATURA

DILATAÇÃO E

CONTRAÇÃO TÉRMICAS

SÓLIDOS

SUPERFICIAL VOLUMÉTRICA LINEAR

•Todos os

corpos se

dilatam ou se

contraem

com o

aumento ou

a redução da

temperatura.

DILATAÇÃO DOS SÓLIDOS

LA

GU

NA

DE

SIG

N/S

CIE

NC

E P

HO

TO

LIB

RA

RY

/LA

TIN

ST

OC

K

AN

DR

EW

LA

MB

ER

T P

HO

TO

GR

AP

HY

/SC

IEN

CE

PH

OT

O L

IBR

AR

Y/L

AT

INS

TO

CK

Com a variação na

temperatura de um

sólido, as partículas que

o constituem vibram,

menos ou mais, em

torno de sua posição de

equilíbrio.

Dilatação linear dos sólidos

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

Dilatação linear dos sólidos

•Expressão geral da dilatação (ou contração) linear de um sólido:

Dilatação linear dos sólidos R

-P/K

INO

R-P

/KIN

O

FO

TO

HU

NT

ER

/SH

UT

TE

RS

TO

CK

DILATAÇÃO SUPERFICIAL

•A dilatação de alguns corpos, como azulejos e blocos de concreto, é mais

perceptível em duas dimensões.

LU

AN

A F

ISC

HE

R/F

OL

HA

IM

AG

EM

FE

RN

AN

DO

FA

VO

RE

TT

O/C

RIA

R I

MA

GE

M

DILATAÇÃO VOLUMÉTRICA

De forma similar aos casos anteriores, temos a proporcionalidade entre:

• variação da dimensão;

• dimensão inicial;

• variação da temperatura.

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

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

Mudança de fase

Quando alteramos as condições físicas de pressão e temperatura,

podemos alterar o estado de agregação da matéria.

Curvas de aquecimento ou resfriamento

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.

Diagrama de Fase

Água e seu ponto triplo:

Coexistem as fases:

Sólida, líquida e gasosa