Os polímeros, no geral, são bons ou maus condutores de calor? E de eletricidade? Por quê?
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Pergunta 1: Os polímeros, no geral, são bons ou maus condutores de calor?
- Pergunta 2: Os polímeros, no geral, são bons ou maus condutores de eletricidade?
- Pergunta 3: Justificar os motivos físicos para as respostas acima.
Informações dadas:
- Não há dados numéricos no enunciado; é uma pergunta conceitual sobre comportamento térmico e elétrico dos polímeros.
Passo 2
Primeiro: o que significa “ser bom condutor” — definições físicas rápidas e úteis para a prova.
- Para calor: a condução térmica é descrita pela Lei de Fourier:
onde
é o fluxo de calor (energia por área por tempo),
é o gradiente de temperatura e
é a condutividade térmica. Um material com
grande conduz calor bem; com
pequeno é isolante térmico.
- Para eletricidade: a condução elétrica no contínuo é descrita por
onde
é a densidade de corrente,
é o campo elétrico e
é a condutividade elétrica. Maior
= melhor condutor elétrico.
Guarde estes dois símbolos:
(térmico) e
(elétrico). Em prova, dizer qual é grande/pequeno ajuda a justificar.
Passo 3
Mecanismos de transporte de energia: elétrons versus fônons — a chave para entender polímeros.
- Condução elétrica em metais: corrente é transportada por elétrons livres (portadores de carga) que se movem por toda a rede cristalina. Isso dá
muito alto. - Condução térmica em sólidos tem duas contribuições principais:
- Contribuição eletrônica (importante em metais, porque os mesmos elétrons que carregam carga também carregam energia).
- Contribuição por fônons (vibrações da rede cristalina), dominante em isolantes e na maioria dos polímeros.
- Uma fórmula de livro para a contribuição por fônons (modelo cinético) é
onde
é a capacidade térmica volumétrica,
é velocidade típica das ondas acústicas (velocidade do som no material) e
é o comprimento médio de espalhamento (mean free path) dos fônons. Para aumentar
é preciso que
,
ou
sejam grandes.
Passo 4
Estrutura típica dos polímeros e implicações para
e
.
- Estrutura: polímeros são cadeias longas de unidades repetidas ligadas covalentemente; entre cadeias predominam interações fracas (van der Waals, enlaces secundários). Geralmente o material tem regiões amorfas e regiões cristalinas pequenas; há emaranhamento das cadeias.
- Consequências para condução térmica (
): - Elétrons estão fortemente ligados nas ligações covalentes (não há muitos elétrons livres), então a contribuição eletrônica para
é desprezível — logo o calor tem de ser transportado por fônons. - A desordem (amorfismo), mudança de orientação das cadeias, vazios e fracas ligações entre cadeias reduzem fortemente o comprimento médio de espalhamento
dos fônons. Pelo modelo cinético, cai muito. - As ligações fracas entre cadeias também reduzem a velocidade eficaz
de transporte entre cadeias. - Resultado prático: polímeros macroscópicos têm
muito baixo: típicos valores na escala de a para muitos plásticos comuns, enquanto metais têm na escala de a centenas . Isso mostra bem a diferença de ordem de grandeza. - Observação importante: se as cadeias ficam muito ordenadas e alinhadas (por exemplo fibras altamente estiradas, ou cristalinidade alta), o transporte ao longo da cadeia pode melhorar muito
e na direção da cadeia — portanto existe anisotropia e exceções locais. Mas, no geral e em bloco, polímeros são térmicos maus condutores.
- Elétrons estão fortemente ligados nas ligações covalentes (não há muitos elétrons livres), então a contribuição eletrônica para
- Consequências para condução elétrica (
): - Em polímeros “comuns” (polietileno, PVC, poliestireno, etc.) os elétrons ocupam estados ligados; existe uma grande lacuna de energia (band gap) entre valência e condução, então não há portadores livres à temperatura ambiente. Isso torna
extremamente baixa — o material é isolante elétrico. - Valores típicos de condutividade elétrica de polímeros isolantes são muito pequenos, por exemplo
da ordem de a (ordem de grandeza; só para comparação: metais têm ). Resultado: polímeros polares/comuns são excelentes isolantes elétricos. - Exceções: polímeros conjugados (cadeias com elétrons
deslocalizados, por exemplo poliacetileno, polianilina, polipirrol) podem conduzir eletricidade quando dopados. A dopagem cria portadores (polarons, bipolarons) que permitem condução ao longo da cadeia conjugada. Outra via para conduzir é fazer compósitos: misturar cargas condutoras (fumaça de carbono, grafite, grafeno, fibras metálicas) até formar uma rede conectada (percolação) que fornece caminho para corrente.
- Em polímeros “comuns” (polietileno, PVC, poliestireno, etc.) os elétrons ocupam estados ligados; existe uma grande lacuna de energia (band gap) entre valência e condução, então não há portadores livres à temperatura ambiente. Isso torna
Passo 5
Resumo físico dos motivos (uma versão “pronta para prova”).
- Motivo para mau condutor térmico: falta de elétrons livres (então nenhum transporte eletrônico), transporte por fônons fortemente limitado por desordem, fracas ligações entre cadeias e poros/entrelaces que reduz o comprimento livre médio
e a velocidade efetiva . Resultado: baixo (isolante térmico). - Motivo para mau condutor elétrico: elétrons fortemente ligados nas ligações covalentes, grande gap de energia entre banda de valência e banda de condução, quase nenhum portador livre à temperatura ambiente. Resultado:
muito baixo (isolante elétrico). - Exceções práticas que é bom citar na prova: polímeros conjugados e polímeros dopados podem ter
alta; compósitos com cargas condutoras aumentam tanto quanto (dependendo do enchimento e da percolação). Além disso, orientação de cadeias e alta cristalinidade podem aumentar na direção das cadeias.
Passo 6
Aplicações e implicações práticas (bom para argumentar em resposta de prova e para lembrar o porquê).
- Por serem maus condutores térmicos e elétricos, polímeros são amplamente usados como isolantes elétricos (revestimento de fios, peças elétricas) e como isolantes térmicos (espumas, isolamento doméstico, embalagens térmicas).
- Quando se precisa de condutividade elétrica ou térmica em peças poliméricas, usa-se:
- polímeros conjugados/dopados (para eletricidade);
- compósitos com cargas condutoras (carbon black, nanotubos, grafeno, partículas metálicas) para atingir condutividade elétrica ou térmica desejada;
- processamento que alinha cadeias para melhorar condução na direção desejada.
Passo 7
Dicas curtas e de memorização para a prova (o que citar em poucas linhas).
- Diga sempre: “Polímeros comuns → maus condutores térmicos e elétricos (isolantes)”. Em seguida cite rapidamente o motivo: “elétrons localizados e transporte térmico por fônons muito disperso por desordem e fracas ligações intercadeia”.
- Acrescente: “Exceções: polímeros conjugados (com dopagem) e compósitos condutores” — sempre bom para ganhar pontos extras.
Resposta
Calor: polímeros, em geral, são maus condutores de calor (isolantes térmicos).
Eletricidade: polímeros, em geral, são maus condutores elétricos (isolantes elétricos).
Eletricidade: polímeros, em geral, são maus condutores elétricos (isolantes elétricos).