CTM - Aula 06 - 2014/1

Propriedades Térmicas

• Inicialmente é importante distinguir claramente a diferença entre calor e temperatura.

Temperatura

• É um nível de atividade térmica (medida em graus Celsius ou Fahrenheit), enquanto que calor é a energia térmica (expresso em calorias ou Btu).
• As condições térmicas nas vizinhanças de um material afetam-no de diversas formas, sendo os efeitos mais importantes aqueles que produzem alterações nas microestruturas e portanto nas propriedades dos materiais. Estas alterações em propriedades são por exemplo utilizadas para se obter determinadas características após tratamentos térmicos, a serem discutidos em tópico futuro. As propriedades térmicas mais importantes são o calor específico, a resistência ao calor, a resistência ao frio, a condutividade térmica e a dilatação.

Calor específico médio

• Cm de um corpo entre dois limites de temperatura 0 e 1 é a relação entre a quantidade de calor necessário Q para elevar a unidade de massa do corpo da temperatura 0 a 1 e a elevação de temperatura (1 - 0), ou seja:

Cm =  Q / (Teta1 - Teta0)

A resistência ao calor (ao frio)

• É a capacidade dos materiais e peças suportarem, sem prejuízo de suas propriedades à manutenção por períodos curtos ou longos de altas(baixas) temperaturas. O efeito da temperatura nas propriedades dos materiais será visto com mais detalhes nos capítulos sobre materiais condutores e isolantes.

• Se chama de condutividade térmica a propagação do calor através dos corpos e tem lugar quando todos os pontos destes não estão a mesma temperatura. O calor se propaga de molécula a molécula, desde os pontos mais quentes aos mais frios. Se considerarmos uma placa de faces paralelas de espessura finita e dimensões transversais infinitas, onde cada face se mantenha a temperatura constante, se produz uma passagem de calor através da massa da placa. Um vez estabelecido o regime permanente, a quantidade de calor que atravessa, durante um tempo muito curto, uma pequena seção paralela às faces depende da temperatura destas e do coeficiente de condutividade térmica da substância que constitui a placa. Este coeficiente expressa o número de calorias-grama que atravessam perpendicularmente, em um segundo, um centímetro quadrado de uma lâmina que tenha um centímetro de espessura e cujas faces se mantenham a temperaturas que difiram de um grau entre si.

• Existe uma certa correlação entre condutividade elétrica e térmica, a qual pode explicar-se pela teoria eletrônica da corrente elétrica. Por ação de uma diferença de potencial os elétrons livres, que se movem em todas as direções nos espaços intermoleculares, tomam um movimento de conjunto, que constitui a corrente elétrica. Quando entre dois pontos de um metal existe uma diferença de temperatura, os elétrons das partes mais quentes, que têm maior velocidade média, cedem por choque uma parte de sua energia e de sua velocidade aos elétrons das partes mais frias.
• A soma de todos estes choques dá lugar, após um tempo mais ou menos longo, à igualação das velocidades médias e, por conseguinte, ao equilíbrio da temperatura. Nos polímeros a transferência de energia é obtida através da vibração e rotação das cadeias de moléculas. Os polímeros são freqüentemente empregado como isolantes térmicos devido a sua baixa condutividade térmica. Assim como nas cerâmicas, a introdução de pequenos poros reduz a condutividade térmica.

Coeficiente de dilatação linear

• Quando se aquece um sólido, aumenta em geral suas dimensões em todos os sentidos, aumentando, portanto, sua superfície e seu volume. A dilatação linear se refere ao aumento do comprimento em uma determinada direção. Chamando l0 ao comprimento inicial e l1 ao comprimento final, correspondentes às temperaturas Teta0 e Teta1, se tem:

Alfa = (l1 - l0 ) / l0 (Teta1 - Teta0)

• onde Alfa é o coeficiente médio de dilatação linear entre as temperaturas Teta0 e Teta1. Por não serem iguais os coeficientes de dilatação de todos os materiais, surgem várias dificuldades, entre as quais a soldadura de diferentes corpos.

Dilatação linear

• É importante no estudo de linha de transmissão onde o efeito da temperatura na dilatação de cabos aéreos deve ser considerado. Nos casos de união ou junção de materiais diferentes (ex: bimetais que são dois metais com diferentes coeficientes de dilatação térmica soldados por sintetização) este fator é importante para a avaliação da dilatação diferencial ( a curvatura sofrida pelo bimetal devido a diferença de dilatação entre os dois metais. A dilatação linear pode ser obtida por:

Propriedades Químicas

Radiação

• No campo da engenharia também tem-se preocupado muito com os efeitos das radiações nos materiais. Em particular, os efeitos danosos de radiação devem ser levados em conta no projeto de reatores nucleares, embora não seja somente nesse caso que se tem irradiação de materiais. Sabe-se há muito tempo que os materiais podem ser modificados por radiações. O botânico observa os efeitos da fotossíntese, o fotografo usa esse fato na exposição de seus filmes, o físico utiliza essas interações para aplicações de fluorescência, o médico aplica radiações em terapia. Os efeitos das radiações visíveis (luz) nos materiais é medido através de ensaios padronizados (ASTM).

• O principal efeito das radiações nos materiais é originado pela energia extra que ela fornece, que facilita a ruptura de ligações existentes e o rearranjo dos átomos em novas estruturas. Em materiais poliméricos a base de polietileno utilizados em lacres de medidores de energia, a radiação UV, assim como o calor e a umidade, causa degradação.

Oxidação

• Logo que se conheceu a estrutura dos átomos verificou-se que, quando um elemento ou uma substância combinava-se com o oxigênio, esta espécie química perdia elétrons.
• Modernamente o termo oxidação significa perder elétrons, não necessariamente em presença de oxigênio (quando um elemento perde elétrons o seu estado de oxidação aumenta).

• A Oxidação pode ocorrer em três circunstâncias:
  • 1. quando se adiciona oxigênio à substância,
  • 2. quando uma substância perde hidrogênio ou
  • 3. quando a substância perde elétrons.

• Exemplos:
  • As saladas de frutas tendem a se escurecer quando entra em contato com o ar, isso porque o oxigênio age com o ferro presente nas frutas, promovendo sua oxidação. Uma dica para que isso não ocorra é adicionar suco de limão ou laranja, pois a vitamina C - ácido ascórbico - presente nas frutas cítricas impede a ação oxidante do oxigênio sobre a salada.
  • O manuseio dos fios de cobre causa, além de perdas, sua oxidação diminuindo a vida útil do material.
  • Aço Corten aplicado na construção de um estúdio para um artista, localizado em New Jersey – EUA. Nas fotos ao lado pode-se perceber o aço antes e depois da oxidação. Este tipo de aço é muito utilizado na construção civil, apresenta em média 3 vezes mais resistência à corrosão que o aço comum além de minimizar os custos com manutenção e o impacto ambiental.
  • Na foto ao lado pode ser observada a oxidação e a corrosão em uma vela de automóvel. O material dos eletrodos oxidou, e quando a oxidação é pesada a superfície apresenta-se esverdeada.

Corrosão

• É a transformação de um material pela sua interação química ou eletroquímica num determinado meio de exposição. Este processo resulta em alterações prejudiciais indesejáveis, sofridas pelo material, tais como desgaste, variações químicas ou modificações estruturais.

• Quase sempre, a corrosão metálica (por mecanismo eletroquímico), está associada à exposição do metal ou uma liga metálica a um meio com presença de moléculas de água, juntamente com o gás oxigênio ou íons de hidrogênio, num meio condutor. Porém, a deterioração de materiais não-metálicos, como por exemplo concreto, borracha, polímeros e madeira, devido à ação do meio ambiente, é considerada também, por alguns autores, como corrosão.

• A corrosão também pode ser causada por correntes ocasionadas por potenciais externos que produzem casos severos de corrosão, por exemplo, em tubulações enterradas e cabos telefônicos, que estão freqüentemente sujeitos a esses casos devido às correntes elétricas de interferência que abandonam o seu circuito normal para fluir pelo solo ou pela água. Esse tipo de corrosão é chamada de corrosão por eletrólise ou eletrolítica, e pode-se defini-la como a deterioração da superfície externa de um metal forçado a funcionar como anodo ativo de uma célula ou pilha eletrolítica. Geralmente as áreas corroídas se apresentam livres do produto de corrosão e como é uma forma de corrosão localizada, em pouco tempo ocorre a perfuração das instalações.

• São medidas indicadas para se prevenir ou diminuir a ação corrosiva:
  • uso de inibidores de corrosão;
  • isolamento elétrico dos materiais de nobrezas diferentes: quando for inevitável a existência de grandes diferenças de potencial (por exemplo, chapas de alumínio sobre estruturas de aço, juntas de latão em canalizações de aço, etc), deverá sempre ser especificada a colocação, nos pontos de conexão e arruelas não metálicas como hypalon, neoprene, teflon, etc., que agirão como isolantes;
  • aplicação de revestimentos protetores: se for aplicado qualquer revestimento protetor, que alguns poderiam imaginar somente necessário para o metal funcionando como anodo, é recomendável a pintura também do catodo, evitando assim que, caso haja falha no revestimento do anodo, não fique uma pequena área anódica exposta a uma grande área catódica. A única limitação desse método é o comportamento em serviço da camada protetora. Por exemplo, as camadas orgânicas causam problemas, se usadas em temperaturas elevadas ou em condições de abrasão severa; além disso, necessita-se de um recobrimento periódico da superfície em virtude da oxidação da camada com o tempo. Entretanto, as camadas protetoras não precisam ser necessariamente orgânicas. Por exemplo, pode-se usar estanho como uma protetora “inerte” para o aço. Superfícies prateadas, niqueladas ou cobreadas também são resistentes à corrosão. Essa camada protetora serve como um anodo de sacrifício, que se corrói no lugar do aço. Esses metais podem ser depositados por imersão a quente em banhos metálicos líquidos, ou na forma de placas que podem ser substituídas facilmente. Também se podem usar como camadas protetoras materiais cerâmicos inertes;
  • uso de materiais de nobrezas próximas: os metais selecionados, se possível, deverão estar localizados, na tabela de potenciais, o mais próximo possível;
  • proteção por passivação. Em uma célula de concentração o oxigênio acentua a corrosão nas regiões onde sua concentração é baixa. Na ausência de diferenças de concentração de oxigênio, outros efeitos podem ser observados. Especificamente,o oxigênio pode reagir com íons e elétrons do anodo formando uma camada protetora. Essa reação é particularmente importante nos aços inoxidáveis (contendo cromo). Um aço contendo cromo é muito resistente à corrosão em condições oxidantes; entretanto, na ausência de oxigênio a reação pode ocorrer.

• Em eletro-eletrônicos e computadores em geral a oxidação e a corrosão se iniciam naturalmente em função do acúmulo da umidade e do sal, provenientes do meio-ambiente. Mudanças físicas e químicas na superfície de conexões eletromecânicas, por exemplo, são a causa primária de degradação do desempenho em componentes e equipamentos.

• Quando superfícies de contato são expostas à sujeira, fumaça, gases, fuligem e outros sólidos suspensos na atmosfera, "filmes" não metálicos se formam, inibindo a condutividade.
• A oxidação é a reação mais comum, e causa a formação do óxido. A maresia corrói a maioria dos metais, formando uma fina camada clorídrica. Umidade, condensação, sais, enxofre e fumaça ácida são também causadores de ferrugem, corrosão e oxidação.

• O aumento da resistência e a fricção entre superfícies metálicas também causa ruídos, travamentos e em alguns casos, aumento no consumo de energia.