5{ }^{\underline{\mathrm{a}}} QUESTÃO

“As variações de temperaturas experimentadas pelos materiais podem acabar causando tensões neles. Essas tensões térmicas precisam ser levadas em conta, uma vez que podem causar uma deformação plástica indesejável ou, até mesmo, a fratura de um componente.”
SOUZA, L. H. de. Ciências dos Materiais. Maringá: Unicesumar, 2019.
Sobre tensões térmicas, avalie as afirmações a seguir.
I. As tensões térmicas podem ser causadas caso não sejam restringidas a expansão ou a contração do material.
II. Gradientes de temperatura podem resultar em tensões térmicas.
III. Alguns materiais podem fraturar devido a choques térmicos.
É correto o que se afirma em:

ALTERNATIVAS

◯ I, apenas.
◯ II, apenas.
◯ III, apenas.
◯ I e II, apenas.
◯ II e III, apenas.

Passo 1

Vou deixar bem claro o que o enunciado pede e quais informações estão dadas. O enunciado apresenta três afirmações sobre tensões térmicas e pede que você avalie quais são corretas:
I. As tensões térmicas podem ser causadas caso não sejam restringidas a expansão ou a contração do material.
II. Gradientes de temperatura podem resultar em tensões térmicas.
III. Alguns materiais podem fraturar devido a choques térmicos.
O objetivo é decidir quais dessas afirmações são verdadeiras e quais são falsas e então escolher a alternativa correta.

Passo 2

Entendimento básico (sem jargão): o que é expansão térmica e o que gera tensão.
Quando um material muda de temperatura, ele tende a mudar de tamanho — isso se chama expansão (aquecimento) ou contração (resfriamento). Se o material puder se mover livremente, ele apenas muda de tamanho e não aparece tensão interna. Mas se algo impedir esse movimento (por exemplo um suporte rígido, uma parte conectada que não permite deslocamento, ou outra região do mesmo corpo que está em temperatura diferente), então aparecem tensões internas porque partes do material “querem” mudar de comprimento mas são impedidas.

Passo 3

Fórmulas simples que ajudam a pensar (isso é muito útil na prova):
A deformação térmica uniforme (quando o corpo está todo na mesma temperatura e livre para deformar) é dada por
\varepsilon=\alpha\,\Delta T,
onde:
  • \varepsilon é a deformação (variação relativa de comprimento),
  • \alpha é o coeficiente de dilatação térmica linear do material (unidade típica: ^\circ\text{C}^{-1}),
  • \Delta T é a variação de temperatura (em ^\circ\text{C} ou K).
Se a expansão for totalmente impedida (ou seja, o corpo é forçado a não mudar de comprimento), a mesma tendência à deformação gera tensão elástica aproximada por
\sigma = E\,\alpha\,\Delta T,
onde:
  • \sigma é a tensão (por exemplo em Pa),
  • E é o módulo de Young do material (rigidez elástica).
Explicando em palavras: quanto maior \alpha (material que expande muito), maior \Delta T, ou mais rígido o material (maior E), maior a tensão que aparece se a deformação for impedida.

Passo 4

Analisando a afirmação I com calma: ela diz que tensões térmicas podem ser causadas caso NÃO sejam restringidas a expansão ou contração. Reescrevendo em linguagem comum: “tensões aparecem se a expansão/contração não for restringida”. Mas isso é o oposto do que a física diz: se a expansão NÃO for restringida (ou seja, é livre), NÃO aparecem tensões térmicas. As tensões aparecem justamente quando a expansão/contração É restringida. Portanto, a afirmação I está incorreta. Vou ilustrar com um exemplo mental: se eu aquecer uma barra livre ao ar, ela só alonga — zero tensão interna. Se eu aquecer a mesma barra presa nas extremidades, ela tenta alongar, mas não consegue — aí surge tensão.

Passo 5

Explicando a afirmação II (gradientes de temperatura):
Um gradiente de temperatura significa que diferentes partes do mesmo objeto estão em temperaturas diferentes (por exemplo, superfície quente e núcleo frio). Cada região “quer” expandir/contrair de forma diferente. Mesmo que nenhuma parte externa esteja rigidamente presa, essas diferenças internas causam incompatibilidade de deformação entre camadas vizinhas, e essa incompatibilidade gera tensões internas e, frequentemente, curvaturas ou empenamentos. Em termos simples: expansão desigual → partes puxam/empurram umas às outras → tensões aparecem. Logo, a afirmação II é correta.

Passo 6

Exemplo prático para fixar a ideia de gradiente: imagine uma placa de vidro com um lado aquecido rapidamente e o outro lado ainda frio. O lado quente tenta se expandir mais do que o frio; como estão ligados, surgem tensões de tração no lado quente e compressão no lado frio. Essas tensões podem ser grandes mesmo que o conjunto não esteja preso externamente. Esse fenômeno é exatamente consequência de um gradiente de temperatura.

Passo 7

Explicando a afirmação III (choque térmico e fratura):
Choque térmico é uma variação muito rápida de temperatura que cria gradientes grandes em curto tempo. Materiais frágeis (por exemplo vidro, cerâmicas) têm baixa ductilidade e resistência à tração; se o choque térmico gerar tensões de tração maiores que a resistência à fratura do material, o material vai rachar ou quebrar. Portanto é verdadeiro que alguns materiais podem fraturar devido a choques térmicos. Exemplos reais: copos de vidro que quebram ao colocar água fervente; cerâmicas de fornos que racham se resfriadas rapidamente; componentes eletrônicos sensíveis a mudanças bruscas de temperatura.

Passo 8

Sumarizando a análise:
  • I é falsa porque afirma o oposto do que ocorre (tensões aparecem quando a expansão/contração é restringida, não quando NÃO é restringida).
  • II é verdadeira: gradientes de temperatura causam tensões térmicas internas.
  • III é verdadeira: choques térmicos podem gerar tensões suficientes para fraturar alguns materiais.

Resposta

II e III, apenas.

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