II. Propriedades dos Materiais

Propriedades Térmicas

Calor Específico

Para aquecer qualquer material é necessário energia e sua quantidade depende do material, da sua massa e da sua temperatura.

Calor Específico é definido como:

Onde:

1. • C é a Capacidade Térmica [J/K];
   

2. •c é o Calor Específico [J/kg/K] ou [J/mol/K];
   

3. •cv é o calor específico a volume constante;
   

4. •cp é o calor específico a pressão constante;
   

5. •Q é o calor [J];
   

6. •T é a temperatura [°K ou C];
   

7. •U é a energia interna [J];
   

8. •p é a pressão [Pa];
   

9. •V ;e o volume [m3];
   

10. •H é a entalpia do sistema;
    

11. •m é a massa [kg ou mol].
    

Na prática, o aquecimento ou resfriamento pode ocorrer em diversas condições de temperatura e pressão. Por isso, costuma-se medir o Calor Específico dos materiais em duas condições; pressão constante e volume constante. A diferença entre estes valores só é significativa quando o material está no estado gasoso.

Para gases ideais, a relação entre os dois valores de calor específico é dada por:

Condutividade Térmica

A Condutividade Térmica é a capacidade do material conduzir calor em regime permanente, isto é, com perfil de temperatura constante e é definida pela equação de difusão de calor abaixo

Onde:

1. •q é o fluxo de calor [W/m2];
   

2. •k é a condutividade térmica [W/m/K};
   

3. •T é a temperatura [K];
   

4. •x é a distância [m].
   

A Condutividade Térmica depende do material conforme mostra a figura abaixo.

Observa-se que os metais sólidos apresentam as maiores condutividades térmicas e os materiais isolantes desgaseificados as menores.

Por que isto acontece?

Calor Específico de Sólidos  (J/mol/K)

Resistência Térmica

A Resistência Térmica é o inverso da Condutividade Térmica e é dada pela seguinte expressão:

Onde:

1. •L é o comprimento do material na direção do fluxo de calor [m];
   

2. •A é a área do material normal ao fluxo de calor [m2];
   

3. •k é a condutividade térmica do material [W/m/K];
   

4. •Rth é a resistência térmica do material [ K/W].
   

É importante observar que existe uma similaridade entre a resistência térmica e a resistência elétrica, entre o fluxo de calor e o fluxo de cargas elétricas (corrente) e entre a temperatura e a tensão elétrica. Por isso, as regras básicas de associação de resistências elétricas valem para as resistências térmicas.

Inércia Térmica

O aquecimento dos materiais não ocorre instantaneamente. A temperatura da água, quando colocada numa panela no fogão, aumenta lentamente e tempo gasto no aquecimento depende da quantidade de água na panela.

Devido à similaridade dos sistemas térmicos com os sistemas elétricos, este sistema térmico pode ser simulado como um circuito RC, conforme mostrado na figura abaixo. Conforme mostrado abaixo, a Capacitância Térmica é dada pelo produto da Massa pelo Calor Específico do material.

Calor Específico

Condutividade Térmica

Difusão Térmica

A Difusão Térmica é dada pela expressão abaixo e está relacionada no a constante de tempo térmica.

Onde:

1. •a é a difusão térmica [m2/s];
   

2. •k é condutividade térmica [W/m/K];
   

3. •cp é o calor específico [W.s/Kg];
   

4. •ρ é a densidade [ kg/m3];
   

5. •τ é a constante de tempo de difusão térmica [s];
   

6. •L é o comprimento do corpo no sentido do fluxo de calor [m]
   

A figura abaixo mostra a variação do Calor Específico em função da temperatura para diferentes materiais. Observa-se que o calor específico aumenta com a temperatura a partir do zero absoluto  mas passam a ter comportamento distinto  a partir da temperatura ambiente.

Na prática, a variação do calor específico com a temperatura  pode ser aproximada por polinômios  de quarta ordem.

Para gases monoatômicos ideais, o calor específico a volume constante é dado pela expressão abaixo:

O calor específico das substâncias pode ser aproximado pela regra Dulon-Petit acima, onde:

1. •R é a constante universal dos gases - 8,31 J/K/mol;
   

2. •M é a massa molar [kg/mol]

Dilatação Térmica

A maioria dos materiais dilata com o aumento da temperatura. A dilatação ocorre em todas as direções onde a dilatação linear - α-, a dilatação superficial - β- e a dilatação volumétrica -ϒ- são dados pelas expressões abaixo.

A água é o material com comportamento peculiar. Seu volume diminui com o aumento da temperatura até atingir o valor mínimo em 4°C e, a partir desta temperatura, o volume passa a aumentar com o aumento da temperatura. Por isso, o gelo se forma na superfície da água e flutua. Esta característica peculiar permite a existência de vida em rios, lagos e oceanos gelados.

Dilatação Térmica da Água

A Condutividade Térmica é um tensor de segunda ordem e pode ser escrita na forma tensorial da seguinte maneira:

De acordo com o teorema de Onsager, o tensor Condutividade Térmica é simétrico.

A condutividade térmica dos materiais varia com a temperatura da seguinte maneira:

A Dilatação Térmica também pode ser escrita como tensor de segunda ordem , conforme a expressão abaixo. Conforme baseado na água, o tensor dilatação varia com a temperatura e pode assumir valores positivos e negativos.

Onde:

1. •kl é a condutividade térmica de líquidos orgânicos [W/m/K];
   

2. •k é a condutividade térmica de sólidos e líquidos inorgânicos [W/m/K];
   

3. •A, B e C são constantes;
   

4. •T é a temperatura [K]

Condutividade Térmica - Compostos Inorgânicos

Condutividade Térmica - Compostos Orgânicos

Temperaturas Notáveis

A figura abaixo apresenta o estado físico dos materiais em função da temperatura e pressão. Observa-se que a fase do material depende da temperatura e pressão.

A fase do material é definida por sua estrutura. Mesmo substâncias, que possuem fórmula química definida, podem existir com diversas estruturas.

Em baixas temperaturas e elevadas pressões, os materiais se arrumam em estruturas compactas, normalmente cristalinas.

Com o aumento da temperatura e diminuição da pressão, os elementos básicos dos materiais adquirem energia suficiente para libertarem-se da estrutura compacta transformando-se em estruturas amorfas ou líquidas.

Aumentando-se ainda mais a temperatura e/ou reduzindo a pressão no material, os elementos básicos passam a ter um comportamento caótico e randômico, chamado de vapor.

Os materiais podem assumir mais de uma fase sólida. Quando isto ocorre, dizemos que o material possui formas alotrópicas. Por exemplo, a grafite e o diamante são formas alotrópicas do carbono. O Ferro também apresenta formas alotrópicas conforme mostra a figura abaixo. Observa-se que nestes casos, existem diversas temperaturas notáveis.

Os materiais podem existir simultaneamente em mais de uma fase. Por exemplo, a água existe simultaneamente no estado sólido, líquido e gasoso simultaneamente em determinados pontos da terra. Contudo, a fronteira entre as fases é claramente definida e possui dimensões finitas. O limite entre o gelo e água são claramente visíveis num lago ou oceano, assim como o limite entre a água e o vapor d’água numa panela.

A Curva de Fusão, mostarda na figura abaixo, representa a região onde a fase sólida e líquida existem simultaneamente em equilíbrio. Por sua vez, a Curva de Vaporização representa a região onde a fase líquida coexiste com a fase vapor em equilíbrio. Finalmente, a Curva de Sublimação representa a região de coexistência do sólido com o vapor em equilíbrio.

Estas três curvas convergem para o Ponto Triplo, única região onde as três fases existem em equilíbrio. o Ponto Triplo da Água ocorre na temperatura de 0,01°C e pressão de 0,61 kPa. Como o ponto triplo dos materiais é bem definido, ele é utilizado como referência para medidores de temperatura e pressão.

O pico da curva de vaporização de todos os materiais é chamado de Ponto Crítico. Neste ponto, a densidade do líquido fica igual à densidade do vapor e, em função disso, a fronteira entre vapor e líquido deixa de existir. Portanto, a partir deste ponto não há mais como distinguir o líquido do gasoso. Por isso, os materiais neste estado são chamados de fluídos. O Ponto Crítico da Água ocorre na temperatura de 647,3 K,  pressão de 22,09 MPa e volume específico de 0,0032 m3/kg.

Temperaturas Notáveis

Diagrama de Fases do Ferro Puro Formas Alotrópicas

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Pure_iron_phase_diagram_%28EN%29.png

Calor Latente

Calor latente é o calor liberado ou absorvido por um sistema termodinâmico isotérmico. Quando materiais mudam de fase, a transferência de calor ocorre sempre com temperatura constante. Portanto, a mudança de fase é um exemplo de processo isotérmico.

O Calor Latente dos materiais é definido como sendo o calor necessário para ocorrer mudança de fase a pressão constante e representa a diferença de energia entre os dois estados. A figura abaixo apresenta os diversos processos de mudança de fase possíveis para todos os materiais.

O Calor Latente é igual a:

Onde:

1. •Q é o Calor Latente [J];
   

2. •m é a massa [kg] ou [mol];
   

3. •ΔH é a Entalpia de Fusão, Vaporização ou Sublimação [kJ/kg] ou kJ/mol].
   

Nas mudanças de fase de sólido para líquido e vapor, a energia flui do meio exterior para o material porque a energia existente no estado sólido é menor.

O oposto ocorre nas mudanças de fase de vapor para líquido e sólido.

Isto significa que precisamos adicionar energia externa para derreter gelo e evaporar a água e retirar energia para fazer chover ou nevar.

Yaws, C., Chemical Properties Handbook, McGraw-Hill,1999

Yaws, C., Chemical Properties Handbook, McGraw-Hill,1999

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