Explicando A Matéria: Propriedades Térmicas

        No texto Explicando a Matéria de hoje, traremos conceitos importantes a respeito das Propriedades Térmicas de um material: Capacidade Calorífica, Expansão Térmica e Condutividade térmica.

        As propriedade térmicas referem-se à resposta de um material à aplicação de calor, a partir do seu conhecimento, é possível fazer alterações apropriadas nas características térmicas e/ou mecânicas para tornar um determinado material mais resistente para sua aplicação. Conforme um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura e suas dimensões tendem a aumentar. A capacidade calorífica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades que com frequência são críticas para a utilização prática dos sólidos.

       A capacidade calorífica (C) [J/mol.K] trata-se de uma propriedade que indica a habilidade de um material em absorver calor de sua vizinhança, representando a quantidade de energia dT necessária para produzir um aumento unitário na temperatura. Já o calor específico (c), também muito utilizado, representa a capacidade calorífica (c) [J/kg.K] por unidade de massa.
       A principal maneira de assimilação de energia térmica se dá através do aumento na energia vibracional dos átomos que, em virtude das ligações atômicas, essas vibrações estão coordenadas de modo que produzem ondas que se propagam pela rede. Assim, a energia térmica vibracional para um material, consiste em uma série dessas ondas elásticas com uma faixa de distribuições e frequências. Outras contribuições além da vibracional, porém em uma magnitude muito menor, é a eletrônica, no qual os átomos absorvem energia pelo aumento de sua energia cinética, no entanto, isso é possível apenas para os elétrons livres.

       É sabido que a maioria dos materiais sólidos se expande quando é aquecido e contrai quando é resfriado. A variação no comprimento em função da temperatura para um material sólido pode ser expressa em função dos comprimentos inicial e final para uma determinada variação de temperatura e o coeficiente linear de expansão térmica, uma propriedade intrínseca, que indica o grau pelo qual um material se expande quando é aquecido [1/ºC]. Tanto o aquecimento, como o resfriamento afeta todas as dimensões de um corpo, dessa forma a variação do volume pode ser calculada pelo coeficiente volumétrico de expansão térmica e a variação de temperatura.
A expansão térmica trata-se de um aumento na distância média interatômica, podendo ser melhor compreedida através da curva da energia potencial em função do espaçamento entre os átomos para um material sólido. Para cada classe de materiais, quanto maior a energia da ligação atômica, mais profundo e mais estreito será esse poço de energia potencial.
Nos metais mais comuns, os coeficientes lineares de expansão térmica variam entre aproximadamente 5x10^-6 e 25x10^-6 [1/ºC], intermediário aos materiais cerâmicos e poliméricos. Em materiais cerâmicos, são encontradas forças de ligação interatômicas relativamente fortes, dessa maneira, possuem coeficientes comparativamente baixos, variando de 0,5x10^-6 e 15x10^-6 [1/ºC]. Já os materiais poliméricos, podem variar desde 50x10^-6 até 400x10^-6 [1/ºC], aqueles que possuem maiores coeficientes são encontrados em polímeros lineares e com ramificações, pois as ligações intermoleculares secundárias são fracas e há uma quantidade pequena de ligações cruzadas.

        A condutividade térmica (k) é a propriedade que caracteriza a habilidade de um material transferir calor. Para o transporte de calor em regime estacionário, pode ser definida pela fluxo de calor (q) e pelo gradiente de temperatura através do meio de condução (dT/dx). O calor é transportado nos materiais sólidos tanto por meio das ondas de vibração da rede (fônons) quanto por elétrons livres, sendo a condutividade total a soma das duas contribuições.
Os metais são ótimos condutores de calor, pois há um número relativamente grande de elétrons livres que participam na condução, assim seu valor varia de 20 a 400 W/m.K. Por outro lado, os materiais não metálicos são correspondentes a isolantes térmicos, uma vez que não possuem um número elevado de elétrons livres, dessa maneira, os fônons são os principais responsáveis pela condutividade. Assim, para os materiais cerâmicos, a condutividade térmica a temperatura ambiente variam entre 2 e 50 W/m.K, além disso, a porosidade tem uma forte influencia sobre a condutividade; o aumento no volume de poros, sob a maioria das circunstâncias, resulta em uma diminuição da condutividade.
       Em polímeros, os valores são da ordem de 0,3W/m.K, pois para esses materiais a transferência de energia é realizada por vibração e rotação das moléculas da cadeia. Dependendo do grau de cristalinidade, ou seja, um polímero com estrutura altamente cristalina e ordenada terá maior condutividade que o material amorfo equivalente, isso se deve à vibração coordenada mais efetiva das cadeias moleculares do estado cristalino.

Fonte: CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.