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
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
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:
onde:
-
é o fluxo de calor (W), -
é a condutividade térmica do material (W·m{-1}·K{-1}), -
é a área através da qual o calor é transferido (m^{2}), -
é o gradiente de temperatura (K·m^{-1}). -
Uma forma prática de pensar é usar resistência térmica do caminho calorífico:
onde:
-
é a taxa de calor removida (W), -
é a diferença de temperatura entre metal líquido e parte fria do molde (K), -
é a resistência térmica do material do molde (K·W^{-1}), -
é a espessura efetiva do molde (m).
Conclusão útil: quanto maior for a condutividade térmica
do molde (ou quanto menor for a espessura
e maior a área
), menor é
e maior será a taxa de extração de calor
. Inversamente, um molde com baixo
(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:
a , dependendo da compactação e umidade). Além disso, o molde de areia é relativamente espesso, aumentando . Resultado: extração de calor lenta (isolante). -
Coquilha metálica (molde metálico): metais (aço, ferro, alumínio) têm condutividade térmica muito maior (por exemplo, aço
, alumínio ). 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
. -
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