Explique como a estrutura interna de um material (metais, cerâmicos e polímeros) influencia sua condutividade térmica. Discuta a contribuição dos elétrons livres, fônons e possíveis barreiras à transferência de calor nos diferentes tipos de materiais. Dê exemplos práticos de aplicações em que essas diferenças de condutividade térmica são essenciais.
Passo 1
Beleza, aqui o enunciado tá pedindo pra gente entender como a estrutura interna de três classes de materiais – metais, cerâmicos e polímeros – manda na condutividade térmica. Precisamos falar de:
- Conteúdo: Propriedades térmicas em Ciência dos Materiais, especialmente condução de calor.
- O que vamos usar: a Lei de Fourier
e os conceitos de condução por elétrons livres (em metais) e por fônons (vibrações na rede cristalina), além de barreiras como defeitos, desordens e interfaces.
Passo 2
Condução em metais – elétrons livres + fônons
- Nos metais, a condutividade térmica
tem duas partes: onde -
é devido aos elétrons livres, -
é devido aos fônons (lattice).
-
- Os elétrons se movem quase como em um “mar” de cargas livres. Eles carregam energia rapidinho:
(Lei de Wiedemann–Franz, com = número de Lorenz, = condutividade elétrica). - Os fônons também contribuem, mas em metais puros
costuma dominar. Scattering (espalhamento) de elétrons em impurezas, defeitos e fônons limita o caminho livre e reduz .
Passo 3
Condução em cerâmicos – só fônons (quase nada de elétrons)
- Cerâmicos são isolantes elétricos, ou seja, não têm elétrons livres. A condução térmica vem só dos fônons.
- Em rede cristalina perfeita, fônons vibram e transmitem energia de átomo pra átomo. A condutividade típica é
onde é capacidade térmica dos fônons, é velocidade de som na rede e é comprimento médio de livre caminho dos fônons. - Barreiras: defeitos, vítreos, poros e contornos de grão espalham fônons (fenômeno chamado de scattering), reduzindo
e logo .
Passo 4
Condução em polímeros – fônons + desordem gigante
- Polímeros têm cadeias orgânicas enroladas e muita desordem. Fônons existem, mas sofrem scattering intenso em cada ligação, em giros de cadeia e regiões amorfas.
- A capacidade das vibrações se propagar é baixa, então
costuma ficar em 0,1–0,5 W/m·K (muito menor que em cerâmicos ou metais). - Barrreiras são justamente emendas das cadeias, cristalinidade baixa e interfaces ar/material (bolhas, poros).
Passo 5
Exemplos práticos
- Dissipadores de CPU (metais como alumínio ou cobre): usam alto
de elétrons para escoar calor rápido. - Revestimento térmico em turbinas (cerâmicas avançadas): usam baixo
de fônons para proteger metal quente por baixo. - Isolação de paredes (espumas de polímero): o ar e a desordem polimérica criam barreiras que estacionam o calor, deixando o ambiente fresquinho.
Resposta
A condutividade térmica varia porque metais têm elétrons livres que transferem calor super rápido; cerâmicos só têm fônons, que viajam mas esbarram em defeitos; e polímeros são mega desordenados, limitando ainda mais o caminho das vibrações. Por isso cada material serve a um propósito: dissipar, proteger ou isolar calor.