Callister_-_Engenharia_e_Cincia_dos_Materiais_ptg_ ... - Ufrgs

SUMÁRIO
Este capítulo discutiu absorção de calor, expansão térmica e condução térmica – três
importantes fenômenos térmicos. Capacidade calorífica representa a quantidade de
calorrequerida para produzir uma elevação unitária da temperatura por cada mol de uma
substância; numa base por unidade de massa, ela é denominada calor específico. A maioria
da energia assimilada por muitos materiais sólidos está associada com aumento da energia
vibracional dos átomos; contribuições à capacidade calorífica total por outros mecanismos
absorvedores de energia (isto é, aumentadas energias cinéticas de elétrons livres) são
normalmente insignificantes.
Para muitos sólidos cristalinos e em temperatura dentro da vizinhança de 0 K (zero
absoluto), a capacidade calorífica medida a volume constante varia como o cubo da
temperatura absoluta; acima da temperatura de Debye, C v se torna independente da
temperatura, assumindo um valor de aproximadamente 3R.
Materiais sólidos se expandem quando aquecidas e se contraem quando resfriadas. A
variação fracional em comprimento é proporcional à mudança de temperatura, a constante de
proporcionalidade sendo o coeficiente de expansão térmica. Expansão térmica é refletida por
um aumento na separação interatômica média, que é uma consequência da natureza
assimétrica da calha da curva de energia potencial versus espaçamento interatômico. Quando
maior a energia de ligação interatômica, tanto menor o coeficiente de expansão térmica.
O transporte de energia térmica a partir de regiões de alta temperatura para regiões de
baixa temperatura de um material é denominado condução térmica. Para um transporte em
regime permanente, o fluxo é proporcional ao gradiente de temperatura ao longo da direção
do fluxo; a constante de proporcionalidade é a condutibilidade térmica.
Para materiais sólidos, calor é transportado por elétrons livres e por ondas de vibração
da rede ou fonons. As altas condutibilidades térmicas para metais relativamente puros são
devidas a grandes números de eletrons livres e também à eficiência com a qual esses elétrons
transportam energia térmica. Por via de contraste, cerâmicas e polímeros são maus
condutores de calor porque concentrações de elétrons livres são baixas e condução por fonon
predomina.
Tensões térmicas, que são introduzidas num corpo como uma consequência de
mudanças de temperatura, pode conduzir à fratura ou deformação plástica indesejável. As
duas fontes principais de tensões térmicas são restringida expansão (ou contração) térmica e
gradientes de temperatura estabelecidos durante aquecimento e resfriamento.
Choque térmico é a fratura de um corpo resultante de tensões térmicas induzidas por
mudanças bruscas de temperatura. Uma vez que os materiais cerâmicos são frágeis, eles são
especialmente susceptíveis a este tipo de fratura. A resistência ao choque térmico de muitos
materiais é proporcional à resistência à fratura e à condutibilidade térmica e inversamente
proporcional tanto ao módulo de elasticidade quanto ao coeficiente de expansão térmica.