aula06 propriedades termicas

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Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica -USP

PMT2200 –Ciência dos Materiais

Aula 6: Propriedades Térmicas dos Materiais

Prof. AngeloFernando Padilha

Prof. Douglas Gouvêa Prof. Cláudio Geraldo Schön

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Propriedades Térmicas

Porque estudar propriedades térmicas ? Dilatação térmica dos materiais Condutividade térmica Capacidade térmica Termometria

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Introdução

Entende-se por “Propriedades Térmicas” a resposta de um material à troca de calor com o meio.

O que acontece quando fornecemos calor a um corpo?

O volume (ou seja, altura, largura e profundidade) se altera; a sua temperatura aumenta; calor pode ser transmitido; O material emite radiação (térmica); transformações de fases podem ocorrer.

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Dilatação térmica (αLe αV)

A maioria dos sólidos aumenta de dimensões ao serem aquecidos e diminuem ao serem resfriados.

coeficiente de expansão térmica linear

Em termos de variação de volume pode-se escrever:

TVV V0 coeficiente de expansão térmica volumétrico αLe αV são propriedades dos materiais.

para muitos materiais cristalinos αLéanisotrópico (depende da direção cristalográfica).

αV ≈3 αL

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Dilatação térmica na escala atômica distância interatômica

U(r) +

A amplitude média das vibrações atômicas é indicada pelas setas.

DTé a distância média de equilíbrio à temperatura T.

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Coeficientes de dilatação térmica linear para materiais selecionados materialαααα L X 10-5 ( K-1 )

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Dilatação térmica –Efeito INVAR

A dilatação térmica pode ser um problema na engenharia. Componentes feitos dediferentes materiais possuem (em geral) coeficientes de dilatação linear distintos, gerando folgas, tensões residuais e, principalmente, alterações de suas dimensões ←←←← estabilidade dimensional.

Existem certas ligas que possuem coeficientes de dilatação térmica muito baixos. A mais antiga e importante é uma liga de ferro contendo 36% em peso de níquel, chamada liga INVAR®, usada para aplicações em metrologia (ααααL= 0,9××××10-6K-1a 300K). Ainda existe controvérsia a respeito da origem deste efeito, porém acredita-se que ele ocorra devido a certas particularidades da estrutura eletrônica da liga que é fortemente influenciada pela existência de ferromagnetismona mesma. O efeito é observado em outras ligas e existe o efeito inverso, um coeficiente de dilatação linear anormalmente elevado, chamado efeito anti-invar(observado na fase CFC do ferro, austenita)

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Condutividade térmica (Revisão) em isolantes é controlada pela vibração da rede (fônons) em condutores é controlada pela movimentação dos elétrons dx dK TJQ −=

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Condutividade Térmica

O fluxo de energia (calor) em J/m2s ≡≡≡≡Watt por metro quadrado (W/m2) é proporcional ao gradiente de temperatura (em K/m). A dimensão de

K, portanto é W/m.K ou J/Kms.

bons condutores eletrônicos são, geralmente, bons condutores térmicos.

Wiedemanne Franz descobriram em 1853 que a razão das condutividades térmica e elétrica para os metais é diretamente proporcional à temperatura. Esta relação, entretanto, deixa de valer para temperaturas muito baixas.

diferentemente da condutividade elétrica, a condutividade térmica varia de apenas algumas ordens de grandeza para as diferentes classes de materiais.

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