Propriedades Térmicas

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Teoria

Opa, bora bater um papo sobre Propriedades Térmicas?!

Quando estudamos as propriedades térmicas de um material a gente avalia o que acontece quando ele é exposto a variações de temperatura! Por exemplo: Como o calor é conduzido? Se eu ceder calor para o meu material, qual vai ser a variação de temperatura? Ele vai dilatar?

São essas questões que a gente vai responder hoje! 😋

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Capacidade Calorífica

A capacidade calorífica relaciona a quantidade de calor com a variação de temperatura de um corpo. Por exemplo, quanto de calor eu preciso pra aumentar a temperatura de grama de água em º?

Para fazer esse cálculo, usamos a seguinte fórmula:

Onde é a capacidade térmica, é o calor e é a variação de temperatura. A capacidade térmica também pode ser calculada por:

Onde é a massa da amostra e é o calor específico, que é diferente pra cada substância, para a água ele é igual a . Então para aumentar a temperatura da água em precisamos de:

Opa, então caloria é a quantidade de calor necessária pra elevar a temperatura de de água em .

Expansão Térmica

Quase todas as matérias, podem expandir com o aumento da temperatura e contrair-se quando sua temperatura é reduzida e o efeito da variação de temperatura pode prejudicar dependendo da aplicação dos materiais. Por isso as pontes tem o que chamamos de junta de dilatação!

Junta de dilatação da ponte Rio-Niterói
Junta de dilatação da ponte Rio-Niterói

Se você já passou pela ponte Rio-Niterói você pode ter notado essas “rachaduras” enormes e assustadoras! Essas são as juntas de dilatação, elas permitem que o concreto se expanda no calor e se comprima no frio sem que essa variação de volume cause rachaduras de verdade!

As dilatações podem ser lineares, superficiais e volumétricas! Bora ver cada uma delas?

Dilatação Linear

A dilatação linear considera apenas uma dimensão e usamos a seguinte fórmula para calcula-la:

Onde é o coeficiente de dilatação linear, é o comprimento inicial e e são as variações de comprimento e temperatura, respectivamente.

Dilatação Superficial

A dilatação superficial considera duas dimensões! Como por exemplo uma chapa fina de metal, ela é um objeto tridimensional, mas como a largura e o comprimento são muito maiores que a espessura, podemos usar a dilatação superficial!

Dilatação superficial
Dilatação superficial

Podemos calcular a dilatação superficial usando a seguinte fórmula:

Aqui o é o coeficiente de dilatação superficial e o é a variação da área.

Dilatação Volumétrica

A dilatação volumétrica considera as três dimensões do objeto: Altura, largura e comprimento:

Dilatação Volumétrica
Dilatação Volumétrica

Calculamos a dilatação volumétrica fazendo:

Onde é o coeficiente de dilatação volumétrica.

Condutividade Térmica

A condutividade térmica representa a capacidade dos materiais de transportar calor. Materiais com elevada condutividade térmica transportam calor mais rapidamente do que os materiais com baixa condutividade térmica.

Um exemplo de baixa condutividade é o cabo de panela feito de plástico (mau condutor térmico), que evita que o calor do metal seja transferido diretamente a nossas mãozinhas, atuando como um “isolante térmico”.

O plástico é um isolante térmico
O plástico é um isolante térmico

Materiais com elevada condutividade térmica são empregados como dissipadores de calor e materiais de pequena condutividade térmica são empregados como isolante térmicos. A quantidade de calor que passa por uma área em um dado material é descrito pela seguinte expressão:

Onde é o fluxo de calor, é a condutividade térmica, é o gradiente de temperatura através do meio de condução e equivale ao comprimento desse meio.

Condutividade Térmica
Condutividade Térmica

É importante sempre ter em mente que o calor flui da maior temperatura para a menor temperatura!

Agora vamos praticar com exercícios?

Expansão Térmica

Condutividade Térmica

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Analisando o calor específico do cobre é 0,09 cal/g.ºC e o do alumínio 0,22 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

Passo 1

Compare os valores do calor específico de ambos materiais, notem que o do alumínio é maior

Passo 2

Portanto precisará de maior quantidade de calor fornecida

Resposta

Alumínio

Exercício Resolvido #2

Analisando o calor específico da prata é de 0,05 cal/g.ºC e o do ouro 0,03 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

Passo 1

Compare os valores do calor específico de ambos materiais, notem que da prata é maior

Passo 2

Portanto precisará de maior quantidade de calor fornecida

Resposta

Prata

Exercício Resolvido #3

Analisando o calor específico do cobre é 0,09 cal/g.ºC e o do alumínio 0,22 cal/g.ºC, qual destes materiais necessitará de máxima quantidade de calor fornecida ou removida para que aconteçam as mesmas mudanças de temperaturas?

  1. A lata devido à menor condutividade térmica
  2. O vidro devido à maior condutividade térmica
  3. A lata devido à maior condutividade térmica

Passo 1

A lata é feita de alumínio, então primeiramente devemos encontrar sua condutividade térmica, que é de aproximadamente 238 W/(m.k)

Passo 2

A condutividade térmica do vidro é de aproximadamente 0,8 W/(m.k)

Passo 3

Comparando os valores, o maior valor é do alumínio (lata de ceva)

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #4

Quanto a definição de capacidade calorífica determine a resposta correta:

  1. A capacidade calorífica de um material é a quantidade de calor necessária para reduzir a sua temperatura e depende do número de materiais.
  2. A capacidade térmica dos materiais independem da massa do material
  3. Se ao material for cedida uma quantidade de calor e a sua temperatura variar temos então, a determinação da capacidade térmica do material

Passo 1

A capacidade calorífica de um material é a quantidade de calor necessária para aumentar a sua temperatura e independe do número de materiais

Passo 2

A capacidade térmica dos materiais depende da massa do material

Passo 3

C = d Q d t

Onde: C (capacidade calorífica), dQ (energia), dt (temperatura) unidades: J/mol.K e cal/mol.K

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #5

O vidro temperado apresenta maior resistência ao choque térmico do que o vidro comum, assinale a alternativa correta:

  1. Apresenta alto coeficiente de rigidez.
  2. Apresenta baixo coeficiente de dilatação térmica.
  3. Apresenta elevado calor específico.

Passo 1

O vidro é um material frágil, portanto não rígido.

Passo 2

Sua resistência térmica é devido ao baixo coeficiente de dilatação térmica

Passo 3

O vidro pirex apresenta um baixo calor específico quando comparado ao vidro comum

Resposta

Alternativa B

Exercício Resolvido #6

Dois fios metálicos 1 e 2, fabricado de diferentes materiais, apresentam o mesmo comprimento e temperatura iniciais. Quando a temperatura acresce para um valor T, os comprimentos de 1 e 2 acrescem 4% e 8%, simultaneamente. Defina a razão aproximada entre o coeficiente de dilatação do fio 1 pelo coeficiente do fio 2.

Passo 1

Primeiramente vamos relembra a fórmula para posteriormente acharmos a razão entre os fios.

ΔL= αLi x ΔT

Passo 2

Agora iremos determinar primeiramente para o fio 1:

0,04 Li = Li . α1 . ΔT

α1 = 0,04/ ΔT

Passo 3

Agora para o fio 2:

0,08 Li = Li . α2 . ΔT

α2= 0,06/  ΔT

Passo 4

Agora para definirmos a razão aproximada entre o coeficiente de dilatação do fio 1 pelo coeficiente do fio 2, basta dividir um pelo outro.

α 1/ α2= 0,04/0,06

α 1/ α2= 0,66

Resposta

0,66

Exercício Resolvido #7

Qual será a variação de temperatura de uma barra de ferro para que ela tenha uma expansão linear correspondente a 0,41% da sua dimensão inicial? Atenda o coeficiente de expansão do ferro com o 11 x 10– 6/ ºC.

Passo 1

Primeiramente vamos relembrar a fórmula

ΔL= αLi x ΔT

Sendo coeficiente de expansão (α)= 11 x 10– 6/ ºC

Dimensão inicial (Li)= 0,41%

Passo 2

A dilatação tolerada pela barra é correspondente à porcentagem de aumento, portanto:

ΔL= αLi x ΔT

Δt= ΔL/αLi

Δt= 4,1 x 10-3/11 x 10– 6

Δt= 381,81°C

Resposta

381,81°C

Exercício Resolvido #8

De quanto será o aumento percentual no comprimento de uma barra de alumínio, inicialmente a 25°C, quando aquecida até 85°C. Coeficiente de dilatação 25 x 10– 6/ ºC do alumínio.

Passo 1

Primeiramente vamos relembrar a fórmula

ΔL= αLi x ΔT

Sendo coeficiente de expansão (α)= 25 x 10– 6/ ºC

Variação da temperatura Δt= 85-25= 60°C

Passo 2

A dilatação tolerada pela barra é correspondente à porcentagem de aumento, portanto:

ΔL= αLi x ΔT

ΔL= Li x25 x 10– 6 x 60

ΔL= 1,5 x 10-3 Li

Agora temos que encontrar o percentual de dilatação

0,15 x 10-2 Li= (1,5/100) x Li

ΔL= 0,15%

Resposta

0,15%

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