Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING An Introduction
William D. Callister, Jr. – John Wiley & Sons, Inc., New York, NY, 1991
20. PROPRIEDADES TÉRMICAS
20.1 – INTRODUÇÃO
Por “propriedade térmica” entende-se a resposta de um material à aplicação de calor.
À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura sobe e suas
dimensões aumentam. A energia pode ser transportada para regiões mais frias da amostra se
existirem gradientes de temperatura e, finalmente, a amostra pode se fundir. Capacidade
calorífica, expansão térmica e condutibilidade térmica são propriedades que são às vezes
críticas na utilização prática de sólidos.
20.2 – CAPACIDADE CALORÍFICA
Um material sólido, quando aquecido, experimenta um aumento de temperatura
significando que alguma energia foi absorvida. Capacidade calorífica é uma propriedade
que é indicativa da capacidade de um material para absorver calor a partir das
circunvizinhanças externas; ela representa a quantidade de energia requerida para produzir
uma elevação unitária de temperatura. Em termos matemáticos, a capacidade calorífica C é
expressa como se segue:
C = dQ/dT (20.1)
onde dQ é a energia requerida para produzir uma elevação de temperatura dT.
Ordinariamente, capacidade calorífica é especificada por mol de material (por exemplo,
J.mol -1 .K -1 , ou cal.mol -1 .K -1 ). Calor específico (às vezes denotado por uma letra minúscula c
) é às vezes usado; este representa a capacidade calorífica por unidade de massa e tem várias
unidades ( J.kg -1 .K -1 , cal.g -1 .K -1 , Btu. Lb m -1 . o F -1 ).
Existem realmente duas maneiras nas quais esta propriedade pode ser medida, de
acordo com as condições ambientes que acompanham a transferência de calor. Uma é a
capacidade calorífica enquanto se mantém constante o volume da amostra, C v ; a outra é para
pressão externa constante, que é denotada C p . A magnitude de C p é sempre maior do que
C v ; entretanto, essa diferença é muito pequenapara a maioria dos materiais sólidos à
temperatura ambiente ou em temperatura abaixo dela.
Capacidade Calorífica Vibracional
Em muitos sólidos o modo principal de assimilação de energia térmica é pelo
aumento na energia vibracional dos átomos. De novo, átomos em materiais sólidos estão
constantemente vibrando em frequências muito altas e com amplitudes relativamente
pequenas. Em vez de serem independentes entre si, as vibrações dos átomos adjacentes estão
acopladas em virtude da ligação atômica. Esssas vibrações estão coordenadas de tal maneira
que ondas reticulares propagantes são produzidas, um fenômeno representado na Figura
20.1. Pode-se pensar que as referidas ondas sejam ondas elásticas ou simplesmente ondas
sonoras, tendo pequenos comprimentos de onda e muito altas frequências, que se propagam
através do cristal na velocidade do som. A energia térmica vibracional para um material