Entre os processos de fundição relacionados a seguir, aquele que acarreta a menor taxa de extração de calor durante a solidificação é o de fundição:
a) por centrifugação
b) sob pressão
c) em coquilha de grafite
d) em coquilha metálica
e) em areia

Passo 1

O enunciado pergunta qual dos processos de fundição listados acarreta a menor taxa de extração de calor durante a solidificação. As opções são:
a) fundição por centrifugação
b) fundição sob pressão
c) fundição em coquilha de grafite
d) fundição em coquilha metálica
e) fundição em areia
O que precisa ser respondido: escolher a opção (a–e) que corresponde ao processo com a menor taxa de extração de calor (isto é, o processo que retira calor mais lentamente do metal líquido durante a solidificação).
Informações relevantes implícitas no enunciado (serão usadas na resolução): cada processo utiliza tipos diferentes de molde (metal, grafite, areia, etc.) e condições de contato (pressão, centrifugação), e a taxa de extração de calor depende fortemente da condutividade térmica do molde, do contato entre peça e molde e da resistência térmica entre metal fundido e molde.

Passo 2

Conceito-chave: taxa de extração de calor por condução e resistência térmica.
  • A transferência de calor por condução, numa maneira simplificada unidimensional, é descrita pela lei de Fourier:
q = -k A \frac{dT}{dx},
onde:
  • q é o fluxo de calor (W),
  • k é a condutividade térmica do material (W·m{-1}·K{-1}),
  • A é a área através da qual o calor é transferido (m^{2}),
  • \frac{dT}{dx} é o gradiente de temperatura (K·m^{-1}).
  • Uma forma prática de pensar é usar resistência térmica do caminho calorífico:
\dot{Q} = \frac{\Delta T}{R_{\rm th}}, \qquad R_{\rm th} = \frac{L}{kA},
onde:
  • \dot{Q} é a taxa de calor removida (W),
  • \Delta T é a diferença de temperatura entre metal líquido e parte fria do molde (K),
  • R_{\rm th} é a resistência térmica do material do molde (K·W^{-1}),
  • L é a espessura efetiva do molde (m).
Conclusão útil: quanto maior for a condutividade térmica k do molde (ou quanto menor for a espessura L e maior a área A), menor é R_{\rm th} e maior será a taxa de extração de calor \dot{Q}. Inversamente, um molde com baixo k (bem isolante) retira calor mais lentamente.

Passo 3

Comparação qualitativa das condutividades e do contato típico nos processos (valores típicos para intuição; não é necessário decorar números, apenas a ordem de grandeza):
  • Areia (fundição em areia): a camada de areia ligada e o molde são pobres condutores térmicos. A condutividade térmica é baixa (ordem de grandeza: \sim 0{,}5 a 1{,}5\\ \text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}, dependendo da compactação e umidade). Além disso, o molde de areia é relativamente espesso, aumentando R_{\rm th}. Resultado: extração de calor lenta (isolante).
  • Coquilha metálica (molde metálico): metais (aço, ferro, alumínio) têm condutividade térmica muito maior (por exemplo, aço \sim 40\\ \text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}, alumínio \sim 200\\ \text{W·m}^{-1}\text{·K}^{-1}). Molde metálico proporciona contato próximo e alta condutividade => extração de calor rápida.
  • Coquilha de grafite: grafite é relativamente bom condutor térmico (valor depende da orientação, mas tipicamente bem maior que areia e pode ficar entre metais e isolantes). Molde de grafite conduz calor de forma eficiente; portanto extrai calor bem mais rápido que a areia, embora talvez menos rápido que um grande bloco metálico dependendo do caso.
  • Fundição sob pressão (die casting / sob pressão): usa moldes metálicos e aplica pressão de injeção — forte contato metal-molde e moldes de alta condutividade => taxa de extração de calor muito alta; solidificação é rápida.
  • Fundição por centrifugação (centrifugal): normalmente emprega moldes permanentes (muitas vezes metálicos) que giram; o contato com molde metálico e a geometria favorecem extração rápida de calor (varia conforme tipo, mas em geral mais rápida que areia).

Passo 4

Outros efeitos práticos que aumentam a taxa de extração (ou a reduzem):
  • Pressão e vibração melhoram o contato entre o metal e o molde, reduzindo a resistência térmica de interface — isso aumenta a taxa de extração. Logo, processos com pressão (sob pressão) tendem a extrair calor mais rápido que processos sem pressão.
  • Molde espesso e poroso (areia) contém ar nos vazios — ar é isolante, o que aumenta muito R_{\rm th}.
  • Materiais com maior capacidade térmica e massa do próprio molde podem absorver mais calor antes de aquecer muito, mas a condutividade é o fator primário para a velocidade inicial de extração.

Passo 5

Aplicando tudo às opções: qual tem a menor taxa de extração de calor?
  • (b) sob pressão: molde metálico + pressão → alta taxa de extração (rápida).
  • (d) coquilha metálica: molde metálico → alta taxa de extração.
  • (a) por centrifugação: geralmente usa molde permanente (muitas vezes metálico) e bom contato → taxa de extração alta.
  • (c) coquilha de grafite: grafite conduz bem → taxa de extração moderadamente alta (bem acima da areia).
  • (e) em areia: molde de areia é isolante, espesso e com ar nos poros → maior resistência térmica → menor taxa de extração de calor (solidificação mais lenta).

Passo 6

Resumo didático final (para usar na prova): para saber qual processo retira calor mais lentamente, compare o material e condição do molde. O processo com molde mais isolante e com maior resistência térmica será o mais lento no resfriamento. Entre as opções dadas, o molde de areia é claramente o mais isolante, logo a fundição em areia tem a menor taxa de extração de calor.

Resposta

e) em areia

Exercícios relacionados