Propriedades T

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Propriedades Térmicas dos Materiais Cerâmicos
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1- Ponto de fusão proporcional à força das
ligações químicas
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2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade
Térmica É a quantidade de calor requerida para
variar a temperatura de uma substância em 1º C.
cal/g ºC (O calor específico é adimensional,
pois é dividido pela cap. Térmica da água a 15ºC)

• A capacidade térmica depende de variáveis
  internas aos materiais como energia rotacional e
  vibracional dos átomos do material, mudanças de
  níveis energéticos dos elétrons.
• No entanto, observa-se pela figura ao lado que a
  capacidade térmica vai do valor zero à -273 ºC a
  6 cal/g ºC próximo dos 1000ºC para uma grande
  variedade de materiais cerâmicos.
• No entanto a porosidade influencia muito o valor
  de c

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2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica

• Em considerações práticas o fator que mais
  influencia é a porosidade, já que muitos
  cerâmicos maciços tem comportamento semelhante em
  relação à capacidade térmica.
• Como uma peça cerâmica com porosidade tem menor
  massa por volume que uma sem porosidade, a
  primeira necessita menor quantidade de calor para
  atingir uma temperatura específica
• Como resultado um forno revestido com material
  mais poroso (um refratário por exemplo) pode ser
  aquecido e resfriado muito mais rapidamente e
  eficientemente

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3- Condutividade Térmica

• É a taxa de fluxo calórico que atravessa o
  material. unidade cal/s/cm2/ºC/cm ou W/mK.
• Nos metais os transportadores de energia são os
  elétrons livres que estão presentes em grande
  quantidade e são muito móveis, logo os metais são
  ótimos condutores de calor
• Nos cerâmicos a transmissão de energia térmica é
  realizada por fonons
• Os fonons são a quantificação da energia térmica
  transmitida pela vibração térmica da estrutura
  interna, ou designa um quantum de vibração em um
  retículo cristalino rígido.

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• Cubo de sílica para isolamento térmico. O
  interior do cubo está a 1250ºC e pode ser
  manuseado sem proteção.
• Usada no isolamento térmico do Space Shuttle
  (ônibus espacial)

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Fatores que afetam a condutividade térmica dos
cerâmicos Pesos atômicos

• Cerâmicos, como elementos puros, tem melhor
  condutividade que compostos (melhor
  empacotamento, mais fácil a transmissão por
  fonons)
• (diamante e grafita)
• Materiais cerâmicos com menor pesos atômicos e
  compostos de átomos com pesos atômicos próximos
  apresentam melhor condutividade (melhor
  empacotamento, mais fácil a transmissão por
  fonons)
• Exemplos Diamante e grafita 900 W/mK (Cobre 400
  W/mK)
• BeO SiC e B4C possuem pesos atômicos similares e
  condutividades altas (altas para cerâmicos, se
  aproximam da do aço)
• UO2 e ThO2 apresentam grande diferença entre os
  pesos de seus átomos e portanto baixa
  condutividade

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Fatores que afetam a condutividade térmica dos
cerâmicos Efeito da temperatura

• Temperatura em cerâmicos maciços (poucos
  porosos) a condutividade diminui com o aumento de
  temperatura (menor caminho livre médio)
• Em cerâmicos muito porosos aumenta com a
  temperatura (aumenta a parcela de transmissão por
  radiação através dos poros

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Efeito da porosidade

• Como a condutividade nos poros acorre apenas por
  radiação, quanto maior a porosidade menor a
  condutividade térmica
• Com o aumento da temperatura aumenta a radiação
  através dos poros aumentando a condutividade
• Em tijolos refratários que em geral apresentam
  alta porosidade, possuem baixa condutividade
  térmica, constituindo-se em excelentes isolantes
  térmicos

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Influência da formação de solução sólida na
condutividade. Quanto maior o percentual
solubilizado menor a condutividade térmica
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Influência da presença de impurezas na
condutividade térmica quanto maior o percentual
de impurezas pior a condutividade
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Influência da presença de mais de uma fase na
condutividade térmica

• Fases paralelas KmV1K1V2K2
• A condutividade se aproxima do melhor condutor
  entre as fases (cerâmicos com camada superficial)
• Fases perpendiculares KmK1K2/V1K1V2K2
• A condutividade se aproxima da condutividade da
  fase menos condutora (cerâmicos com camada
  superficial)
• Fase dispersa (muito comum em cerâmicos)
• KmKc12Vd(1-Kc/Kd)/(2Kc/Kd1) /
  1-Vd(1-Kc/Kd)/(Kc/Kd1)
• A condutividade se aproxima da cond. da fase
  contínua
• Legenda K1 cond. Fase 1 K2 cond. Fase 2 V1 e
  V2 Fração de vol. das fases Kc cond.da fase
  contínua Kd cond. da fase dispersa Vd vol. da
  fase dispersa

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4- Expansão térmica

• Depende da força (energia) das ligações químicas,
  sendo inversamente proporcional.
• Logo as cerâmicas predominantemente covalentes
  são as que apresentam menor expansão térmica
  sofrendo menos problemas com choques térmicos

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Expansão térmica

• a ?L/Lo/?T onde a é o coeficiente de expansão
  térmica, Lo é o comprimento, ?L é a variação de
  comprimento, e ?T é a faixa de temperatura
  relacionada.
• Unidade 1/ºC ou ºC-1