Propriedades térmica dos materiais

Teoria Completa

Olá, tudo bem?

Neste capitulo vamos aprender sobre as propriedades térmica dos materiais. Vocês já se perguntaram porque ao encostar em um corrimão exposto ao sol, ele está extremamente quente?

Partiu compreender o porque isso ocorre??

Propriedade térmica corresponde ao quanto o material absorve de calor ao ser exposto a uma fonte (tipo o sol) e se há mudanças em suas dimensões (se ele aumenta ou diminui).

Capacidade Calorífica

A capacidade calorífica C de um material é a quantidade de calor necessária para aumentar a sua temperatura de 1ºC (ou 1ºK) e independe do número de materiais (se forem o mesmo material). Assim se ao material for cedida a quantidade de calor Q, e a sua temperatura varia de ΔT K, temos:

Onde: C (capacidade calorífica), dQ (energia), dT (temperatura) unidades: J/mol.K e cal/mol.K

E sabe como os materiais absorvem o calor? Através da energia térmica ocorre devido a energia de vibração dos átomos.

As vibrações levam a criação de ondas que se propagam, como mostrado na figura. As bolinhas laranjas são as posições iniciais antes das vibrações e após a vibração se encontram nas posições das bolinhas azuis.

Atenção: a capacidade térmica dos materiais depende da massa, e pode passar por variações de temperatura distintas ao receber a mesma quantidade de calor se suas massas são diferentes.

Por exemplo: é necessário uma quantidade de energia infinitamente maior para derrete-lo (o iceberg) quando comparado aos cubos de gelo, devido sua maior quantidade de massa.

Expansão Térmica

Quase todas as matérias, podem expandir com o aumento da temperatura e contrair-se quando sua temperatura é reduzida e o efeito da variação de temperatura pode prejudicar dependendo da aplicação dos materiais. Se liga nesse exemplo....

Quem nunca viu uma rachadura dessas em uma parede? E porque isso ocorre? Quando a parede fica em um ambiente sujeito a variações bruscas de temperatura onde por exemplo, durante o dia alcança 42°C e a noite aos 18°C, o que favorece as fissuras pois o material irá se contrair.

E quanto a dilatação?

Quanto maior a temperatura de um material mais ele dilata (aumenta de tamanho), mas não é a mesma para distintos materiais, pois cada um tem seu coeficiente de dilatação peculiar.

A dilatação pode ser linear, superficial ou volumétrica.

  • Dilatação linear: a expansão em uma dimensão. Exemplo: fios de telefone. Onde ocorre uma diferença do comprimento final (Lf) para o inicial (Li).
  • E quando o fio tem alguma dimensão (comprimento) extremamente maior que as outras, devemos calcular através da equação:

    Onde:

    Um exemplo de ocorrência de dilatação térmica pode ser observado nos trilhos de trem. Eles são submetidos a temperaturas altíssimas com a passagem das carruagens, por isso desses espaços entre trilhos, para que a dilatação não comprometa a estrutura.

  • Dilatação superficial: aumento da área de um material devido a variação de temperatura.
  • E podemos calcular da seguinte maneira:

  • Dilatação volumétrica: os materiais sólidos em sua maioria são 3D (altura, comprimento e espessura) e ao serem expostos à temperaturas mais elevadas podem expandir.

Condutividade Térmica

A condutividade térmica (k) apresenta a capacidade dos materiais de transportar calor. Materiais com elevada condutividade térmica transportam calor mais rapidamente do que os materiais com baixa condutividade térmica. Um exemplo disso é o cabo de panela feito de polímero (mal condutor térmico) que evita que o calor do metal seja transferido diretamente a nossas mãozinhas, atuando como um “isolante térmico”.

Materiais com elevada condutividade térmica são empregados como dissipadores de calor e materiais de pequena condutividade térmica são empregados como isolante térmicos (como é o caso do cabo da panela :D)

Onde: q (escoamento de calor), k (condutividade térmica) e   ( gradiente de temperatura através do meio de condução). A unidade de q é

Bora praticar com os exercícios propostos?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Analisando o calor específico do cobre é 0,09 cal/g.ºC e o do alumínio 0,22 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

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Passo 1

Compare os valores do calor específico de ambos materiais, notem que o do alumínio é maior

Passo 2

Portanto precisará de maior quantidade de calor fornecida

Resposta

Alumínio

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Analisando o calor específico da prata é de 0,05 cal/g.ºC e o do ouro 0,03 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

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Passo 1

Compare os valores do calor específico de ambos materiais, notem que da prata é maior

Passo 2

Portanto precisará de maior quantidade de calor fornecida

Resposta

Prata

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Analisando o calor específico do cobre é 0,09 cal/g.ºC e o do alumínio 0,22 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

  1. A lata devido à menor condutividade térmica
  2. O vidro devido à maior condutividade térmica
  3. A lata devido à maior condutividade térmica
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Passo 1

A lata é feita de alumínio, então primeiramente devemos encontrar sua condutividade térmica, que é de aproximadamente 238 W/(m.k)

Passo 2

A condutividade térmica do vidro é de aproximadamente 0,8 W/(m.k)

Passo 3

Comparando os valores, o maior valor é do alumínio (lata de ceva)

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Quanto a definição de capacidade calorífica determine a resposta correta:

  1. A capacidade calorífica de um material é a quantidade de calor necessária para reduzir a sua temperatura e depende do número de materiais.
  2. A capacidade térmica dos materiais independem da massa do material
  3. Se ao material for cedida uma quantidade de calor e a sua temperatura variar temos então, a determinação da capacidade térmica do material
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Passo 1

A capacidade calorífica de um material é a quantidade de calor necessária para aumentar a sua temperatura e independe do número de materiais

Passo 2

A capacidade térmica dos materiais depende da massa do material

Passo 3

C = d Q d t

Onde: C (capacidade calorífica), dQ (energia), dt (temperatura) unidades: J/mol.K e cal/mol.K

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #5

Adaptado de: https://exercicios.mundoeducacao.bol.uol.com.br/exercicios-fisica/exercicios-sobre-dilatacao-termica.htm

O vidro temperado apresenta maior resistência ao choque térmico do que o vidro comum, assinale a alternativa correta:

  1. Apresenta alto coeficiente de rigidez.
  2. Apresenta baixo coeficiente de dilatação térmica.
  3. Apresenta elevado calor específico.
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Passo 1

O vidro é um material frágil, portanto não rígido.

Passo 2

Sua resistência térmica é devido ao baixo coeficiente de dilatação térmica

Passo 3

O vidro pirex apresenta um baixo calor específico quando comparado ao vidro comum

Resposta

Alternativa B

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Dois fios metálicos 1 e 2, fabricado de diferentes materiais, apresentam o mesmo comprimento e temperatura iniciais. Quando a temperatura acresce para um valor T, os comprimentos de 1 e 2 acrescem 4% e 8%, simultaneamente. Defina a razão aproximada entre o coeficiente de dilatação do fio 1 pelo coeficiente do fio 2.

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Passo 1

Primeiramente vamos relembra a fórmula para posteriormente acharmos a razão entre os fios.

ΔL= αLi x ΔT

Passo 2

Agora iremos determinar primeiramente para o fio 1:

0,04 Li = Li . α1 . ΔT

α1 = 0,04/ ΔT

Passo 3

Agora para o fio 2:

0,08 Li = Li . α2 . ΔT

α2= 0,06/  ΔT

Passo 4

Agora para definirmos a razão aproximada entre o coeficiente de dilatação do fio 1 pelo coeficiente do fio 2, basta dividir um pelo outro.

α 1/ α2= 0,04/0,06

α 1/ α2= 0,66

Resposta

0,66

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Qual será a variação de temperatura de uma barra de ferro para que ela tenha uma expansão linear correspondente a 0,41% da sua dimensão inicial? Atenda o coeficiente de expansão do ferro com o 11 x 10– 6/ ºC.

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Passo 1

Primeiramente vamos relembrar a fórmula

ΔL= αLi x ΔT

Sendo coeficiente de expansão (α)= 11 x 10– 6/ ºC

Dimensão inicial (Li)= 0,41%

Passo 2

A dilatação tolerada pela barra é correspondente à porcentagem de aumento, portanto:

ΔL= αLi x ΔT

Δt= ΔL/αLi

Δt= 4,1 x 10-3/11 x 10– 6

Δt= 381,81°C

Resposta

381,81°C

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

De quanto será o aumento percentual no comprimento de uma barra de alumínio, inicialmente a 25°C, quando aquecida até 85°C. Coeficiente de dilatação 25 x 10– 6/ ºC do alumínio.

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Primeiramente vamos relembrar a fórmula

ΔL= αLi x ΔT

Sendo coeficiente de expansão (α)= 25 x 10– 6/ ºC

Variação da temperatura Δt= 85-25= 60°C

Passo 2

A dilatação tolerada pela barra é correspondente à porcentagem de aumento, portanto:

ΔL= αLi x ΔT

ΔL= Li x25 x 10– 6 x 60

ΔL= 1,5 x 10-3 Li

Agora temos que encontra o percentual de dilatação

0,15 x 10-2 Li= (1,5/100) x Li

ΔL= 15%

Resposta

15%

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