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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
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NC
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O L
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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
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IM
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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