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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola de Química
Departamento de P
D
t
t d Processos Inorgânicos
I
â i

CIÊNCIA DOS MATERIAIS
EQI 365

Prof. Ladimir José de Carvalho
Ladimir@eq.ufrj.br
Profa Simone Louise Delarue Cezar Brasil
simone@eq.ufrj.br
i
@
fjb
Sala E-206

INTRODUÇÃO
Resposta ou reação de um material à aplicação do calor.
Sólido absorve energia em forma decalor: aumento da temperatura, da
energia interna e das dimensões
Dois principais tipos de energia térmica em um sólido:

Energia Térmica Vibracional:
átomos que vibram ao redor de suas posições de equilíbrio
⇒ principal forma de assimilação de energia térmica
⇒ vibrações de á
átomos adjacentes acopladas entre si (
(ligações atômicas)
ô
)
⇒ conjunto de ondas elásticas em uma faixa defrequências
⇒ somente alguns valores d energia são permitidos
t l
l
de
i ã
itid
⇒ energia quantizada → fônon (ondas de vibração da rede cristalina)

INTRODUÇÃO

Representação esquemática da
geração de ondas na rede
cristalina por vibrações atômicas

Energia Cinética: elétrons livres
⇒ Contribuição eletrônica → é significativa em materiais com elétrons livres
livres.
⇒ Como ocorre:absorção de energia pelos elétrons aumentando a energia
cinética.

CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO

CAPACIDADE TÉRMICA
Propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meio
externo.
Representa a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura
de um corpo em uma unidade.

C = dQ/dT
C : capacidade térmica (J/mol.K, cal/mol.K).
dQ : energianecessária para produzir uma mudança dT de temperatura.

CAPACIDADE TÉRMICA E CALOR ESPECÍFICO

CALOR ESPECÍFICO (c)
( )
Capacidade térmica por unidade de massa (J/Kg.K)
Pode ser determinado mantendo-se o volume do material constante (cv),
ou mantendo-se a pressão externa constante (cp)
mantendo se
(cp).

cv = (dS/dT)v

e

cp = (dH/dT)p

H = S + PV
cp > cv
Para os sólidos a entalpia e aenergia interna são muito similares.

CAPACIDADE TÉRMICA X TEMPERATURA

• Não há correlação entre θD (temperatura de Debye) e o PF dos materiais.
• Capacidade térmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do
material.
• Um material poroso exige uma menor quantidade de calor para atingir
uma determinada temperatura, ao contrário de um material isento de
poros.

CAPACIDADETÉRMICA X TEMPERATURA

DILATAÇÃO OU EXPANSÃO TÉRMICA
Sólidos : Aumento de dimensões durante o aquecimento e contração no
resfriamento, se não ocorrer transformação de fases.
Coeficiente de dilatação térmica linear:

αL = coeficiente linear de expansão térmica [(oC)-1]
Coeficiente de dilatação térmica volumétrica:

αv = coeficiente volumétrico de expansão térmica [(oC)-1]

FATORES QUEINFLUENCIAM A DILATAÇÃO TÉRMICA

↑ temperatura: ↑ separação interatômica

Coeficientes de dilatação variam nas classes de materiais
⇒ compósitos (?)

COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA X PONTO DE FUSÃO

Correlação entre α e o PF de alguns materiais.

COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA X ENERGIA DE LIGAÇÃO

Para cada classe de materiais, quanto mais fortes as ligações, mais profundo e
maisestreito será o poço de energia potencial ⇒ αl

COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA X FORÇA DE LIGAÇÃO

COEFICIENTE DE EXPANSÃO TÉRMICA X FORÇA DE LIGAÇÃO

CONDUTIVIDADE TÉRMICA

K = kr + ke
kr = condutividade térmica devido à vibração da rede cristalina
Ke = condutividade devido aos elétrons
K é proporcional a:
n = número de elétrons livres (ou fônons)
V = velocidade média daspartículas
cv = calor específico
l = distância média entre as colisões
Uma ou outra forma pode ser a predominante

CONDUTIVIDADE TÉRMICA
LEI DE FOURIER PARA A TRANSFERÊNCIA DE CALOR
UNIDIMENSIONAL NO ESTADO ESTACIONÁRIO

CONDUTIVIDADE TÉRMICA (k) X TEMPERATURA

Para muitos materiais, a condutividade térmica varia
linearmente com a temperatura:
K = Ko (1 + βT)
Ko : condutividade...
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