1 CIÊNCIAS TÉRMICAS

As ciências térmicas são normalmente constituídas pela termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor.

Podemos definir essas três ciências mais especificamente como:

Termodinâmica é a ciência que se preocupa com o estudo das transformações da energia e o relacionamento entre as

várias grandezas físicas de uma substância afetadas por aquelas transformações energéticas.

Mecânica dos Fluidos é a ciência que lida com o transporte de energia e a resistência ao movimento associado com o

escoamento dos fluidos.

Transferência de Calor é a ciência que descreve a transferência de uma determinada forma de energia como

decorrência de uma diferença de temperaturas.

As três ciências térmicas estão intimamente relacionadas. A ciência térmica mais básica é a termodinâmica que, em

associação com as leis da dinâmica, proporciona o conhecimento sobre o qual se desenvolvem as relações usadas no estudo da

mecânica dos fluidos e da transferência de calor. A termodinâmica é mais conceitual do que as duas ciências térmicas em muitos

aspectos. Na análise termodinâmica pouca atenção é dirigida para o mecanismo real usado para transportar o fluido de uma

posição para outra ou, ainda, para o projeto do equipamento que vai transformar uma forma de energia em outra por um dado

processo termodinâmico. Como exemplo, o desempenho do ciclo de refrigeração de um refrigerador doméstico não depende

apenas das condições de operação estabelecidas através de uma análise termodinâmica do ciclo, mas depende também da

habilidade de se projetar os componentes para que se desempenhem as condições de operação desejadas. O projeto do

condensador, evaporador, compressor e válvulas de controle é baseado em princípios de transferência de calor e mecânica dos

fluidos.

2 TERMODINÂMICA

A ciência da termodinâmica envolve o estudo da energia associada com uma certa quantidade de matéria ou com um

volume bem definido do espaço. A quantidade fixa de matéria é chamada de sistema termodinâmico, enquanto que o volume bem

definido do espaço é chamado de volume de controle.

O estudo da energia de um sistema termodinâmico é realmente bastante elementar em princípio. Energia pode entrar ou

deixar o sistema e ser transferida em apenas duas formas: calor ou trabalho. Se a transferência de energia dor devido à diferença

de temperaturas entre o sistema e a vizinhança, então a transferência de energia se dará como calor, caso contrário será

transferida como trabalho. A palavra transferência é redundante e é usada apenas para enfatizar que calor é a energia que está

sendo transferida.

Trabalho é a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema devido a algum potencial diferente da

temperatura, e se apresenta em muitas formas. Há trabalho mecânico no qual uma força atua através do deslocamento da

fronteira do sistema, como acontece com o pistão de um motor de combustão interna. Há trabalho elétrico em que um potencial

elétrico atua sobre uma carga elétrica na fronteira do sistema. Muitos sistemas envolvem o trabalho mecânico, já que ele está

sempre presente que uma força atua sobre uma fronteira em movimento de um sistema.

A primeira lei da termodinâmica é enunciado da conservação de energia. Intuitivamente poderia esperar que a soma

algébrica de todas as formas de energia que cruzam a fronteira do sistema fosse igual à variação líquida da energia armazenada

internamente pelo sistema. Desde que o calor e trabalho são apenas as duas formas de energia que cruzam a fronteira do

sistema, a soma algébrica do calor com o trabalho deve ser igual à variação líquida armazenada ou possuída pelo sistema. A

energia possuída pelo sistema pode ser energia cinética, potencial e energia interna. De um estudo da física a energia cinética é

calculada por:

EC = MV²/2

onde M é a massa do sistema e V é a velocidade do sistema. No campo gravitacional terrestre, a energia potencial é dada por:

EP = Mgz

onde g á a aceleração devido a gravidade e z é a elevação do sistema acima de algum nível de referência. O valor de padrão de g

ao nível do mar é 9,807 m/s² ou 32,17 ft/s². A aceleração g é um vetor que tem a direção e sentido sempre direcionados para o

centro do planeta. Contudo, estaremos freqüentemente interessados em seu valor, uma vez que a orientação estará sempre

subentendida, e o símbolo g será usado.

Para avaliar a energia armazenada pelo sistema, devemos conhecer alguma coisa sobre o comportamento do material ou

substância e as relações entre as propriedades da substância. Algumas vezes essas propriedades são apresentadas na forma de

equações algébricas e algumas vezes na forma de tabelas. Em geral, o sistema vai sofrer mudanças com o tempo e, portanto,

suas propriedades vão mudar também com o tempo. A mudança das propriedades em um período de tempo especificado deve ser

determinada de forma que a variação da energia armazenada no sistema possa ser calculada. Algumas das mudanças das

propriedades de uma substância evoluem em apenas uma direção. Essa direção natural é dada pela segunda lei da

termodinâmica. Se um bloco escorrega com uma velocidade uniforme em um plano inclinado num espaço gravitacional, a energia

potencial é dissipada na forma de atrito entre o bloco e o plano. Mesmo que assumamos que a energia decorrente do atrito possa

de alguma forma ser armazenada no bloco ou no plano, não há nenhuma maneira pela qual possamos utilizá-la para restituir o

bloco para sua posição inicial. Portanto, há uma direção natural para esse processo de dissipação e a segunda lei de nos informa

que a direção oposta é impossível. Talvez ainda mais significante é o fato de que a segunda lei nos diz que trabalho pode ser

completa e continuamente convertida em calor, mas o processo inverso de conversão completa é impossível. Sempre que ocorre a

conversão contínua de calor em trabalho num dado sistema, apenas parte de calor fornecido vai poder ser convertido em trabalho

e o excedente deve ser rejeitado. Há um limite teórico para a fração de calor fornecida que pode ser convertida em trabalho num

processo contínuo. Este limite é independente das propriedades da substância ou do tipo de processo ou do equipamento em uso.

Dispositivos de estado sólido, máquinas alternativas, máquinas rotativas e qualquer outro equipamento de conversão tem o

mesmo limite teórico.

A segunda lei é também útil, porque fornece um meio de se medir o desvio de um processo real para o caso ideal, isto é,

um processo que é reversível. Essa medida nos permite comparar os processos reais, e é útil ao prestar auxílio para selecionar o

processo mais eficiente.

Quando um equipamento ou dispositivo opera continuamente em um dado período de tempo, o analisamos usando um

volume de controle em que as condições não variam com o tempo. Tal processo á chamado de regime permanente e exige que:

As propriedades da massa em qualquer ponto no volume de controle não variem com o tempo.

As propriedades e as vazões mássicas que entram e deixam o volume de controle não variem com o tempo.

Através do estudo da termodinâmica esses conceitos e definições desempenham um papel importante para a compreensão

e aplicação dos princípios básicos.

2.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA

A primeira lei da termodinâmica é um enunciado da conservação de energia aplicada a um sistema. Esse princípio de

conservação afirma que a soma algébrica de toda a energia que cruza a fronteira do sistema deve ser igual

à variação de energia do sistema. Como o calor e o trabalho são as únicas formas de energia que podem atravessar uma fronteira

de sistema.

δQ – ΔW = dE

O sinal negativo aparece com o termo de trabalho por causa da convenção de sinal adotada para o trabalho. A equação

define a propriedade E, chamada energia do sistema. Na ausência de efeitos elétricos, magnéticos e superficiais, esta quantidade

de energia consiste em três termos:

A energia interna, U, representa a energia que as moléculas da substância possuam graças à sua energia cinética e

potencial a nível microscópico.

Energia cinética macroscópica, Ec, representa a energia cinética do sistema, energia existente devido ao movimento.

Energia potencial macroscópica, Ep, representa a energia potencial do sistema, energia eistente devido

à sua posição em um campo gravitacional.

Se um sistema está em regime permanente, não há variação de energia cinética ou potencial, de maneira que a primeira lei

pode ser escrita da seguinte forma:

δQ – δW = dU

2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Segundo Schmidt, a primeira lei da termodinâmica não foi provada por nenhum experimento, nem foi derivada de quaisquer

considerações fundamentais. Ela foi simplesmente enunciada e sua prova está no fato de não terem sido observadas violações

dessa lei. A segunda lei da termodinâmica é similar a esse respeito, a sua prova também está no fato de violações não terem sido

observadas. Ela também tem algo de negativo em sua formulação. A primeira lei mostrou que a energia não pode ser criada ou

destruída, enquanto a segunda lei decreta que certos processos não podem ocorrer. A primeira lei não distingue calor e trabalho,

mas a segunda lei faz uma distinção muito clara entre calor e trabalho.

A segunda lei nos orienta que certos processos não ocorrem naturalmente. Parece haver uma direção natural para alguns

processos. Por exemplo:

Um gás pode passar por uma expansão livre, mas não foi observada uma compressão livre que tenha ocorrido

naturalmente.

Óleo combustível e ar reagem formando dióxido de carbono e água, mas dióxido de carbono e água não reagem

naturalmente para formar óleo combustível.

Uma xícara de café quente esfriará até chegar à temperatura ambiente, m as uma xícara de café à temperatura

ambiente não ficará quente naturalmente.

Portanto, processos de natureza mecânica, química e térmica parecem possuir direções que percorrem naturalmente e

direções que não percorrem a não ser com a ajuda de forças externas. A segunda lei da termodinâmica fornece meios formais

para a determinação da direção natural de tais processos.

Uma abordagem microscópica da segunda lei mostra que essa direção natural do processo se relaciona com o estado de

máxima probabilidade do sistema, seu estado mais aleatório. Essa direção natural dos processos é da ordem para a desordem.

Não se aprofundará aqui nesta abordagem microscópica, pois o principal interesse está no estudo macroscópico da

termodinâmica. Essa abordagem foi mencionada somente para ajudar a compreender o significado da segunda lei .

3 MECÂNICA DOS FLUIDOS

Uma vez que uma fonte de energia foi identificada, o emprego útil desta energia normalmente necessita que ela seja

transportada de uma posição espacial para outra. Por exemplo, um sistema de aquecimento de água ou ar produz uma fonte de

energia térmica pela combustão do óleo ou gás num certo local de um edifício, por exemplo. Para fornecer calor para o resto do

edifício, a energia deve ser transportada daquela localização para diversas partes do edifício. Isso é realizado pela transferência da

energia para um fluido de trabalho, água ou ar, e, então movimentando-o ou movimento do fluido é chamado de mecânica dos

fluidos.

Um fluido é definido como uma substância que se deforma continuamente quando submetido a uma tensão de

cisalhamento, isto é, ele escoa. Por outro lado, um sólido resiste uma tensão de cisalhamento sofrendo uma deformação inicial,

mas não se deforma continuamente. A diferença entre o sólido e o fluido pode ser observada passando a mão sobre a superfície

de uma mesa e a superfície da água, por exemplo. Fluidos existem como líquido (água, gasolina, petróleo), como gás (ar,

hidrogênio, gás natural) ou como uma combinação de líquido e vapor (vapor úmido).

Enquanto um fluido fornece um meio para o transporte de energia, este mesmo processo de transporte por conjunto moto-

bomba requer um gasto de energia. Por exemplo, energia elétrica é necessária para superar as forças que agem no fluido e se

opõem ao seu movimento. É importante compreender a origem dessas forças que se opõem ao movimento do fluido e como

estimar seus valores e direção para o projeto das superfícies por onde o fluido vai escoar, e minimizar a quantidade de energia

requerida para transportar o fluido de duas localizações.

4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Faz parte da nossa experiência cotidiana que quando duas substâncias à temperaturas diferentes são colocadas em

contato, a temperatura da substância mais quente vai diminuir e a temperatura da substância mais fria vai aumentar, no caso de

não haver troca de fase. Como uma ilustração desse fenômeno, considere o fato corriqueiro de uma lata de refrigerante que é

retirada de um refrigerador e colocada sobre a mesa. A temperatura do refrigerante vai começar a aumentar, porque ocorrerá um

fluxo de energia para o mesmo ar no ambiente que está mais aquecido. Após certo tempo, energia suficiente terá sido transferida

para o refrigerante, de forma que poderemos sentir o acréscimo de temperatura simplesmente pelo toque na lata. Não poderemos

sentir uma diminuição da temperatura do ar devido á quantidade enorme de ar ambiente que envolve a lata, muito embora a

intuição nos diga que energia foi transferida do ar para o refrigerante. Se continuarmos a monitorar o refrigerante, também vamos

notar que a sua temperatura vai continuar a aumentar até que esta se iguale à temperatura do ar. Portanto, podemos concluir que

se uma diferença de temperaturas está presente, então existe um fluxo de energia. Os fenômenos físicos e os parâmetros, além

da diferença de temperaturas, que governam a taxa e a quantidade de transferência de energia não são óbvios. Quando a

transferência de energia é o resultado de apenas uma diferença de temperaturas, sem a presença de trabalho, então esta

transferência de energia recebe o nome de transferência de calor.

A ciência de transferência de calor identifica os fatores que influenciam a taxa de transferência de energia entre sólidos e

fluidos ou em suas combinações. Essa informação é, então, usada para prever a distribuição de temperatura e a taxa de

transferência de calor em sistemas termodinâmicos e equipamentos.

4.1 CONDUÇÃO

Um corpo sólido isolado está em equilíbrio térmico se a sua temperatura for a mesma em qualquer parte do corpo. Se a

temperatura no sólido não for uniforme, calor será transferido por atividade molecular das regiões de temperaturas elevadas para

as regiões de baixas temperaturas. O processo, chamado de condução de calor, é dependente do tempo, e continuará até que um

campo uniforme de temperatura exista em todo o corpo isolado.

Na maioria das situações, o sólido não é isolado e a energia térmica flui através das superfícies do sólido que está em

contato com as vizinhanças. As condições térmicas nas superfícies, que são chamadas de condições de contorno, determinam a

distribuição de temperatura no sólido. Exemplos de condições de contorno típicas: a temperatura da superfície é conhecida; a

superfície está em contato com o fluido; o fluo de energia através da superfície é conhecido; e a superfície está completamente

isolada das vizinhanças. Essas condições podem ser independentes do tempo resultando em condução de calor em regime

permanente. Se uma ou mais das condições de contorno são dependentes do tempo, a distribuição de temperatura no sólido

também será dependente do tempo e condução de calor transitória ocorrerá.

O processo de transferência de calor por condução, em regime permanente ou transitório, é governado pela primeira lei e

segunda lei da termodinâmica. A primeira lei é usada de dois modos. A primeira lei, na sua forma em termos de fluxo é escrita para

um sistema composto de um cubo infinitesimal do sólido. A lei de Fourier é usada para representar o fluxo de energia

atravessando as fronteiras do cubo. A equação diferencial de energia para condução de calor é obtida utilizando o limite da

expressão quando o volume infinitesimal tende a zero. Essa expressão, em conjunto com as condições de contorno no sólido,

representa o modelo matemático do processo de condução de calor no sólido. A solução do modelo dará a distribuição de

temperaturas no sólido e a taxa de transferência de calor através das fronteiras. Se o sólido como um todo for considerado como o

sistema, a aplicação da primeira lei, na sua forma em termos de fluxo, pode ser utilizada para diminuição da energia interna do

sistema.

A descrição do fenômeno físico, associado com o processo de condução de calor a nível microscópio, é dependente da

estrutura molecular do material. Em um gás, a energia cinética, das moléculas é função da temperatura do gás. As moléculas de

gás, em uma região de elevadas temperaturas, possuem energia cinética maior do que aquelas moléculas em uma região de

baixas temperaturas. Uma vez que todas as moléculas se encontram continuamente em movimento aleatório, colisões ocorrerão

entre moléculas a temperaturas elevadas e baixas. Como resultado dessas colisões, uma parte da energia cinética das moléculas

com elevada temperatura será transferida às moléculas a baixa temperatura. Em um sistema isolado, esse processo continuará

até que um estado de equilíbrio térmico seja atingido, no qual qualquer amostra aleatória de moléculas indicará que elas possuem

a mesma energia cinética média.

O processo de condução de calor é muito mais complicado para líquidos e sólidos. Outros mecanismos microscópicos de

transporte de energia, particularmente aqueles associados com vibrações em rede e transporte livre de elétrons, precisam ser

considerados. Suas contribuições para o processo global de transferência de calor podem, para certos materiais, ser bastante

significantes.

4.2 CONVECÇÃO

Transferência de calor por convecção é a transferência de energia entre um fluido e uma superfície sólida. Dois fenômenos

diferentes estão presentes. O primeiro fenômeno é a difusão ou condução de energia através do fluido devido

à presença de um gradiente de temperatura dentro do fluido. O segundo fenômeno é a transferência de energia dentro do fluido

devido ao movimento do fluido de uma posição para outra. Como já observamos, condução é um transporte de energia a nível

molecular e cuja taxa de transferência é controlada pelas propriedades termofísicas e pela distribuição de temperaturas. O

segundo fenômeno está associado como as características macroscópicas do movimento ou escoamento do fluido, bem como as

propriedades termofísicas do fluido e as características e condições térmicas da superfície sólida.

Na transferência de calor por convecção, a diferença de temperaturas que causa o fluxo de energia é aquela entre a

temperatura da superfície e a do fluido. Se a superfície estiver imersa por uma quantidade muito grande de fluido, o efeito da

transferência de energia sobre a temperatura desta massa de fluido será desprezível. Essa situação é classificada como

escoamento externo e a diferença de temperaturas que causa a transferência de energia é a diferença entre a temperatura da

corrente livre (ao longo da superfície) do fluido e a temperatura da superfície.

Se o fluido estiver se movimentando de forma confinada, como em um tubo, então o escoamento é dito escoamento interno.

Neste caso, a energia será transferida se uma diferença de temperaturas existir entre a parede do tubo e a temperatura média do

fluido. A transferência de energia do fluido vai causar com que a temperatura média do fluido varie conforme o fluido escoe no

tubo. A diferença entre a temperatura média e a da parede do tubo deve ser usada para calcular a taxa de transferência de calor,

medidas na mesma posição axial.

Para este tipo de transferência de calor é importante predizer com precisão o valor do coeficiente de convecção de calor.

Muitos fatores devem ser levados em consideração para alcançar o objetivo de realizar um trabalho em cima deste tipo de sistema,

já que os fenômenos microscópicos e macroscópicos estão envolvidos.

4.2 RADIAÇÃO

Até o momento o trabalho apresentou os processos de transferência que envolvem os transportes de energia, a nível

molecular ou aquele associado com o movimento de um fluido. Esses processos de transferência foram classificados como

condução e convecção. Agora será apresentado uma nova forma de transferência de energia através de ondas eletromagnéticas.

Diversos fatores devem ser considerados quando se está calculando a taxa de transferência de energia, já que a radiação

térmica é um fenômeno ondulatório. A distribuição de energia que deixa uma superfície na forma de radiação térmica depende do

comprimento de onda. Quando a radiação térmica atinge uma dada superfície, a quantidade de energia absorvida vai depender da

distribuição espectral da radiação incidente bem como do acabamento superficial.

A característica ondulatória da transferência de energia requer que se considere a orientação geométrica das superfícies

envolvidas no processo de transferência de calor. Transferência de energia direta é apenas possível entre superfícies que se vêem

mutuamente.

Quando se calcula a taxa da transferência de calor de uma superfície envolvida por ar, é necessário que se considere tanto

convecção como radiação. Contudo, se a região que envolve as superfícies estiver em vácuo, então apenas a transferência por

radiação vai estar presente. A radiação será o modo dominante de transferência de calor quando existir uma diferença substancial

de temperatura entre a vizinhança e a superfície. Se a diferença de temperatura for pequena, a convecção será o mecanismo

principal de transferência de calor. No caso de diferença moderada de temperatura ou quando convecção natural estiver presente,

tanto radiação como convecção devem ser consideradas. A avaliação se a diferença de temperatura é grande ou pequena é

relativa. Se não estiver certo em que classificação seu problema se enquadra, recomenda-se que e a taxa de transferência de

calor seja calculada para ambos os modos e, então, compará-las. Depois de resolver alguns problemas, irá começar a desenvolver

uma habilidade para identificar o modo dominante de transferência de calor.

5 MUDANÇA DE ESTADO

A troca de calor entre materiais, ou seja, propagação de energia térmica, pode causar mudanças nos materiais que trocam

energia. As principais mudanças que podem ocorrer num material devido a variações de sua energia térmica são: variação da

temperatura, variação de volume e mudança de estado físico. Todos os materiais são formados por moléculas (menor parte da

matéria que conserva as características de uma substância), sendo que a maioria dos materiais que encontramos na natureza são

formados pela mistura de diferentes substâncias. O efeito do aumento de energia térmica num material é o aumento da velocidade

com que as moléculas se movem (vibram) no material. O aumento de temperatura se dá por que a temperatura que sentimos é um

indicativo da energia cinética com que as moléculas estão vibrando, ou seja, o quão rápido as moléculas estão se movimentando.

O estado físico de um material, sólido, líquido ou gasoso, é devido à interação elétrica existente entre as moléculas das

substâncias de que é formado o material. Com o aumento da energia térmica das moléculas, ou seja, com o aumento da

intensidade com que vibram as moléculas, chega-se a uma certa temperatura onde a intensidade da vibração é suficiente para

superar a interação molecular existente. Então ocorre a mudança de estado. As moléculas de um sólido vibram em torno de uma

posição fixa; na mudança para o estado líquido as moléculas deixam de ter esta posição fixa de vibração, e com isso podem se

deslocar de um lugar para outro. Na mudança do estado líquido para o gasoso, as moléculas deixam de ter interações entre si e

passam a se movimentar para qualquer direção, se movendo por todo o ambiente em que estiver o gás. A diminuição da

quantidade de energia térmica simplesmente faz com que os mesmos fenômenos aconteçam, só que em ordem contrária.

A fusão é a passagem, provocada por um aquecimento, do estado sólido para o estado líquido.

O aquecimento provoca a elevação da temperatura da substância até ao seu ponto de fusão. A temperatura não aumenta

enquanto está a acontecer a fusão. Depois de toda a substância passa para o estado líquido é que a temperatura volta a

aumentar.

Solidificação é a passagem do estado líquido para o estado sólido, através de arrefecimento.

Quando a substância líquida inicia a solidificação, a temperatura fica inalterada até que a totalidade esteja no estado sólido, e só

depois a temperatura continua a baixar.

Vaporização é a passagem do estado líquido para o estado gasoso, por aquecimento. Se for realizada lentamente chama-

se evaporação, se for realizada com aquecimento rápido chama-se ebulição. Durante a ebulição a temperatura da substância que

está a passar do estado líquido para o estado gasoso permanece inalterada, só voltando a aumentar quando toda a substância

estiver no estado gasoso.

Condensação é passagem do estado gasoso para o estado líquido, devido ao um arrefecimento. Quando a substância

gasoso inicia a condensação, a temperatura fica inalterada até que a totalidade esteja no estado líquido, e só depois a temperatura

continua a baixar.

Sublimação é a passagem direta de uma substância do estado sólido para o estado gasoso, por aquecimento, ou do estado

gasoso para o estado sólido, por aferrecimento.

6 CALOR

Calor é definido como a energia em trânsito devido à diferença de temperaturas e que não está associada com transferência

de massa. Essa é uma definição bastante específica e precisa e pode ser alguma forma diferente de alguma outra definição prévia

onde o calor está associado com calorimetria. Os principais pontos dessa discussão serão apresentados.

O primeiro ponto nessa definição é que calor é energia em trânsito. É a energia que cruza a fronteira do sistema ou a

superfície de controle do volume de controle. Um sistema ou volume de controle não possui calor, mas a energia é identificada

como calor apenas quando esta cruza a fronteira ou superfície de controle. Calor não pode ser armazenado e deve ser convertido

para uma outra forma de energia depois de cruzar a fronteira do sistema ou a superfície de controle.

O segundo ponto na definição de calor é que ele não é acompanhado por transferência de massa. Se uma transferência de

energia ocorrer através de uma superfície de controle devido ao transporte de massa, então aquela forma de transferência de

energia não é calor.

O terceiro ponto é que o potencial que induz a troca de calor deve ser a diferença de temperaturas. Se o fluxo de energia

através da fronteira á causado por qualquer outro potencial que não seja a diferença de temperaturas entre o sistema e a

vizinhança, então tal troca de energia não pode ser chamada de calor. Como a experiência cotidiana indica, calor flui de uma

região de alta temperatura para uma região de baixa temperatura.

O requerimento que calor não é energia armazenada ou possuída por um sistema ou volume de controle significa que ele

não é uma propriedade. Então, não se diz calor em um sistema ou calor de um sistema; isto não faria nenhum sentido à luz de

definição de calor. A troca de calor de/ou para um sistema necessariamente exige uma mudança do estado daquele sistema e a

quantidade de calor trocada é uma função do caminho que o sistema segue durante o processo que causa a mudança de estado.

7 TRABALHO

Trabalho é definido como a forma de energia em trânsito não associada com transferência de massa, e devido a uma

diferença de um potencial que não seja temperatura. A similaridade entre esta definição e a do calor é visível. Há apenas duas

maneiras pelas quais um sistema pode trocar energia com a vizinhança: calor e trabalho. Se o potencial para a transferência de

energia for temperatura, então a transferência de energia é chamada calor; se o potencial for de outra forma diferente de

temperatura, então transferência de energia é chamada de trabalho. O trabalho pode ser visto como o produto de uma força

generalizada por um deslocamento generalizado.

Os mesmos pontos principais que se aplicam ao calor também se aplicam ao trabalho. Trabalho é energia que cruza a

fronteira; esta energia não pode ser armazenada como trabalho, mas deve ser armazenada como alguma outra forma de energia.

Transferência de energia na forma de trabalho não está associada com fluxos mássicos. O fato de que trabalho não é algo

armazenado ou possuído pelo sistema ou volume de controle, significa que ele não é uma propriedade. Então, trabalho é uma

função do caminho que o sistema percorre quando muda de estado.

8 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS

Ciência e engenharia dos materiais, é um campo interdisciplinar voltado à invenção de novos materiais e ao

aperfeiçoamento dos já conhecidos, mediante o desenvolvimento da correlação composição-microestrutura-síntese-

processamento. O termo composição indica a constituição química de um material. Já o termo microestrutura se refere à descrição

detalhada de arranjo de átomos. O termo síntese refere-se ao modo como os materiais são feitos, a partir de quais substâncias

químicas encontradas na natureza ou sintetizadas pelo homem. O termo processamento diz respeito ao modo como os materiais

são transformados em componentes úteis e com propriedades adequadas. A ciência dos materiais concentra-se nos fundamentos

científicos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura e propriedades dos materiais. Já a engenharia dos

materiais, por sua vez, desenvolve modos de converter ou transformar materiais em dispositivos ou estruturas úteis.

Um dos aspectos mais fascinantes da ciência dos materiais envolve a investigação da estrutura de cada material. De fato, a

estrutura dos materiais tem grande influência sobre muitas de suas propriedades, mesmo com a composição química global não

seja alterada.

Algumas vezes, a descoberta de novos materiais, fenômenos ou dispositivos é classificada como revolucionária como a

descoberta do transistor de silício, usado em chips de computadores. Por outro lado, os materiais apropriados ao longo do tempo

podem ser igualmente importantes; esses materiais são conhecidos como evolutivos. Muitas ligas à base de ferro e de cobre, entre

outros, são exemplos de materiais evolutivos. Evidentemente, é importante reconhecer que vários materiais hoje considerados

evolutivos, foram, na realidade, revolucionários no passado. É comum que materiais e fenômenos sejam descobertos em

determinada época e que os produtos e processos comerciais relacionados a esses materiais só apareçam no mercado muitos

anos depois. A transição entre o desenvolvimento de novos materiais ou processos e suas aplicações comerciais ou industriais

úteis pode ser lenta e difícil.

Há formas de classificação dos materiais. Uma delas considera cinco categorias:

Metais e ligas;

Cerâmicas, vidros e vidro-cerâmicas;

Polímeros (plásticos);

Semicondutores; e

Materiais compósitos.

Metais e ligas: incluem aços, alumínio, magnésio, zinco, ferro fundido, titânio, cobre, níquel, etc. Em geral, os metais

apresentam boa condutividade térmica e elétrica. Tanto os metais quanto as ligas tem resistência mecânica relativamente elevada,

alta rigidez, ductibilidade ou conformabilidade, e resistência a choques mecânicos. Eles são particularmente úteis em aplicações

estruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais, as chamadas ligas, permitem melhorar um a

propriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades.

Cerâmicas: pode-se definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas os

materiais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são exemplos de cerâmicos em estado natural. As

cerâmicas avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais. Essas cerâmicas

são empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para combinações

sem fio, velas de ignição, indutores e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteção

para substratos metálicos em turbinas. As cerâmicas também são empregadas em vários produtos de consumo, como tintas,

plásticos e pneus, e em aplicações industriais, como placas isolantes para ônibus espaciais, suportes para catalisadores e

sensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são empregadas em tijolos, louças de cozinha, louças

sanitárias, refratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, devido à presença de porosidade (pequenos orifícios),

as cerâmicas não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. Além disso, as

cerâmicas são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serão

moldados em diferentes formatos. Novas técnicas de processamento tornaram as cerâmicas suficientemente resistentes à fratura,

a ponto de serem usadas em aplicações estruturais – tais como rotores de turbinas. As cerâmicas ainda apresentam excepcional

resistência à compressão.

Vidros e Vidro-cerâmicas: o vidro é um material amorfo, geralmente obtido a partir da sílica fundida. O termo “amorfo”

refere-se a materiais que não possuem um arranjo atômico regular e periódico. A indústria de fibras ópticas está baseada em fibras

feitas com vidro de sílica de alta pureza. Os vidros são usados também em casas, automóveis, telas de computador e TV, além de

centenas de outras aplicações. Eles podem ser tratados termicamente para que se tornem mais resistentes. A formação dos vidros

seguida de nucleação de pequenos cristais no seu interior, por meio de um processo térmico especial, dá origem a materiais

conhecidos como vidro-cerâmicas.

Polímeros: em geral, os polímeros são materiais orgânicos produzidos Por meio de um processo conhecido como

polimerização. Entre os materiais polímeros, podemos citar as borrachas e muitos outros adesivos. Vários polímeros apresentam

elevada resistividade elétrica. Além disto, podem fornecer bom isolamento térmico. Embora tenham baia resistência, os políemros

possuem boa razão resistência-peso. Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto, vários

polímeros são bastante resistentes a produtos químicos corrosivos. Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, de

coletes a prova de bala, discos compactos, cordas e displays de cristal líquido e roupas e xícaras. Os polímeros termoplásticos,

nos quais as longas cadeias moleculares são estão rigidamente conectadas, tem boa ductibilidade e conformabilidade; já os

polímeros termofixos são mais resistentes e também mais frágeis, pois suas cadeias moleculares apresentam ligações cruzadas,

também conhecidas como reticulação. Utilizam-se os polímeros em inúmeras aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos. Os

termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são geralmente fundidos e

vazados em moldes. Emprega-se o termo plástico para descrever materiais poliméricos que contem aditivos.

Semicondutores: os semicondutores feitos de silício, germânio e arseneto de gálio, tais como os utilizados em

computadores e aparelhos eletrônicos, fazem parte de uma classe mais ampla de materiais conhecidos como materiais

eletrônicos. A condutividade elétrica dos materiais semicondutores situa-se entre a dois isoladores cerâmicos e a dos condutores

metálicos. Os semicondutores viabilizaram a era da informação eletrônica. Em alguns semicondutores, pode-se controlar o grau de

condutividade elétrica, de modo a possibilitar a fabricação de componentes eletrônicos empregados em circuitos integrados.

Muitas aplicações requerem grandes cristais individuais de semicondutores, que são formados a partir de materiais fundidos.

Costuma-se também produzir filmes finos de materiais semicondutores por meio de processos especializados.

Materiais Compósitos: ao se desenvolverem compósitos, a idéia primordial consiste em combinar as propriedades de

diferentes materiais. Formados por dois ou mais materiais, os compósitos dão origem a propriedades que não são encontradas em

nenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado de fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. A fibra de

vidro, por exemplo, é obtida dispersando-se fibras de vidro em uma matriz polimérica. Essas fibras, então, tornam o polímero mais

rígido, sem elevar significativamente sua densidade. Com o auxílio de compósitos, podemos produzir materiais leves, robustos,

dúcteis e resistentes às altas temperaturas; ou podemos fabricar ferramentas de corte duras que iriam fraturar se fossem feitas

com outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados dependem bastante dos compósitos, tais como polímeros

reforçados com fibra de carbono. Equipamentos esportivos como bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis e outros, também

utilizam diferentes tipos de materiais compósitos leves e rígidos.

9 PROPRIEDADES MECÂNICAS

As propriedades mecânicas dos materiais são fundamentais em muitas tecnologias emergentes e tradicionais. Na produção

de aviões, por exemplo, as ligas de alumínio ou os compósitos reforçados com carbono usados em componentes aeronáuticos

devem ser leves, resistentes e capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos de tempo. Os aços

utilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, devem ter resistência adequada, de modo que não comprometam

a segurança das edificações. Os plásticos empregados na fabricação de tubos, válvulas, pisos e outros elementos também devem

ter resistência mecânica apropriada. Outros materiais, como o grafite pirolítica e as ligas de cobalto, cromo e tungstênio, utilizadas

em próteses de válvulas cardíacas, não podem falhar. Por outro lado, o desempenho de bolas de beisebol, tacos de críquete,

raquetes de tênis, tacos de golfe, esquis e outros equipamentos esportivos dependem não só da resistência mecânica e da massa

de seus materiais, como também da capacidade de atuar sob cargas de impacto. Esses exemplos mostram a importância das

propriedades mecânicas na utilização de materiais sob carregamento mecânico.

Em várias outras aplicações, as propriedades mecânicas do material também desempenham papel importante, mesmo

quando a propriedade específica que determinou sua escolha não é de natureza mecânica. Uma fibra óptica, por exemplo, deve

apresentar resistência para suportar as tensões mecânicas decorrentes do seu uso. Uma liga de titânio biocompatível utilizada

como implante ósseo deve ter resistência suficiente para se manter íntegra no corpo humano durante muitos anos sem falhar.

Nas aplicações sujeitas a cargas mecânicas, selecionam-se os materiais pela compatibilidade de suas propriedades

mecânicas com as especificações de projeto e as condições de serviço. A primeira etapa do processo de seleção requer uma

análise, da aplicação para determinar as características mais importantes. Uma vez conhecidas as propriedades necessárias,

pode-se fazer uma seleção preliminar do material utilizando os bancos de dados. É preciso, porém, saber como obter as

propriedades nesses bancos, entender o que significam essas propriedades e compreender que as propriedades indicadas foram

obtidas a partir de testes idealizados, que podem não se adequar exatamente às aplicações reais. Materiais com a mesma

composição química podem ter propriedades mecânicas muito diferentes, determinadas pela sua microestrutura.

As propriedades mecânicas dos materiais devem ser compreendias, ainda, para que seja possível produzir materiais em

formas úteis, empregando técnicas de processamento mecânico. O processamento de materiais, tal como no uso de aço e

polímeros para a fabricação de peças de automóveis, requer entendimento detalhado das propriedades mecânicas em diferentes

temperaturas e condições de solicitação mecânica. Um bom exemplo é o comportamento mecânico de aços e polímeros usados

nos componentes aerodinâmicos de automóveis.

Podem-se encontrar diferentes tipos de solicitações mecânicas ao lidar com as propriedades mecânicas dos materiais. Em

geral, define-se tensão como a carga mecânica que age na unidade de área sobre a qual a carga foi aplicada. A deformação é

definida como a alteração de tamanho por unidade de comprimento. A tensão é normalmente expressa em kgf/mm² ou Pa,

enquanto a deformação não tem dimensão, podendo, entretanto, ser expressa em mm/mm; ou, se multiplicada por 100, em

porcentagem.

Define-se como deformação elástica como uma deformação reversível, resultado de uma tensão aplicada. A deformação

será elástica se ocorrer simultaneamente com a tensão aplicada. Ela acontecerá enquanto a tensão estiver presente e

desaparecerá assim que a tensão for removida. Os corpos sólidos sujeitos apenas à deformação elástica não têm suas dimensões

geométricas alteradas permanentemente, isto é, voltam à forma original após a tensão ter sido removida. Imagine que uma mola

rígida de metal seja ligeiramente esticada e depois liberada. Se a mola voltar rapidamente às suas dimensões originais, a

deformação observada será elástica.

A deformação permanente de um material é conhecida como deformação plástica. Nesse caso, quando a tensão é

removida, o material não volta à forma original. Um amassado na lataria de um automóvel é uma deformação plástica. A palavra

plástica não se refere à deformação em um material polimérico, mas à deformação permanente em qualquer material.

9.1 ENSAIO DE TRAÇÃO DOS MATERIAIS

O teste de tração dos materiais é bastante difundido, pois as propriedades mecânicas obtidas são aplicadas no projeto de

estruturas. Esse teste mede a resistência de um material a um carregamento mecânico elástico ou aplicado lentamente. As taxas

de deformação de um teste de tração são reduzidas. Isso é conseguido pela movimentação do travessão

à velocidade constante. Os corpos-de-prova usuais tem diâmetro de 12,827 mm e comprimento útil de 50,8 mm. A amostra é

colocada na máquina de teste e tracionada a uma velocidade constante, e o material resiste a essa deformação. A força F,

denominada carga, é a medida da resistência apresentada pelo material à deformação. Utiliza-se um extensômetro para medir o

deslocamento do espécime (∆l) em relação a um comprimento inicial (lo). O teste de tração fornece dados do limite de

escoamento, do limite de resistência, do módulo de elasticidade (Young) e da ductibilidade dos materiais. Em geral, é um teste

aplicado em metais, ligas e polímeros. Para as cerâmicas não é muito difundido, pois as amostras são frágeis e podem romper

durante sua fixação e alinhamento da máquina.

Durante a execução de um teste de tração, os dados registrados incluem a carga ou força em função da variação de

comprimento (∆l). Em geral, mede-se tal variação utilizando um sensor de deslocamento, chamado extensômetro. Os dados de

força e deslocamento são então convertidos em tensão e deformação, respectivamente. Da curva tensão-deformação obtém-se

ainda as propriedades mecânicas de cada material.

9.1.1 Limite de Escoamento

Ao se aplicar uma tensão baixa a um material, ele irá deformar-se elasticamente. Essa deformação desaparece por

completo ao se remover a tensão aplicada. No entanto, se a tensão aplicada aumentar, o material cederá

à tensão aplicada e apresentará tanto deformação elástica como plástica. O valor crítico de tensão necessário para iniciar a

deformação plástica é definido como limite elástico do material. Nos materiais metálicos, essa é geralmente a tensão requerida

para dar início ao movimento das primeiras discordâncias ou ao deslizamento inicial dos planos cristalinos. No caso dos materiais

poliméricos, essa tensão corresponde ao desembaraço das cadeias de moléculas poliméricas ou ao deslizamento das cadeias.

Define-se limite proporcional a tensão acima da qual a relação entre tensão e deformação deixa de ser linear.

O limite elástico e o limite proporcional são bastante próximos em grande parte dos materiais. No entanto, é difícil

determinar com precisão esses valores. Como os valores medidos dependem da sensibilidade di equipamento utilizado, é normal

definir um limite convencional de escoamento. Os valores mais adotados de deformação são geralmente de 0,002 ou 0,2%. Em

seguida, traça-se uma reta iniciando no valor de deformação e paralela à parte linear da curva tensão-deformação.

10 TRATAMENTOS TÉRMICOS

Tratamento térmico é o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob

condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas

propriedades ou conferir-lhes características determinados.

As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentos térmicos modificam, em maior ou

menor escala, a estrutura dos aços, resultando, em conseqüência na alteração mais ou menos pronunciada, de suas propriedades.

Cada uma das estruturas obtidas apresentam seus característicos próprios, que se transferem ao aço, conforme a

estrutura ou combinação de estrutura ou combinação de estruturas presentes.

Pelo exposto, pode-se perfeitamente avaliar a importância dos tratamentos térmicos, sobretudo nos aços de alto carbono e

nos que apresentam também elementos de liga.

De fato, se geralmente muitos aços de baixo e médio carbono são usados nas condições típicas do trabalho a quente, isto

é, nos estados forjado e laminado, quase todos os aços de alto carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamente

submetidos a tratamentos térmicos antes de serem colocados em serviço.

Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes:

Remoção de tensões internas;

Aumento ou diminuição da dureza;

Aumento da resistência mecânica;

Melhora da ductilidade;

Melhora da usinabilidade;

Melhora da resistência ao desgaste;

Melhora das propriedades de corte;

Melhora da resistência à corrosão;

Melhora da resistência ao calor;

Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguida com

prejuízo de outras.

A têmpera é o tratamento térmico aplicado aos aços com porcentagem igual ou maior do que 0,4% de carbono. O efeito

principal da têmpera num aço é o aumento de dureza.

O revenimento é o tratamento térmico que se faz nos aços já temperados, com a finalidade de diminuir a sua fragilidade,

isto é, torná-lo menos quebradiço. O revenimento é feito aquecendo-se a peça temperada até uma certa temperatura resfriando-a

em seguida. As temperaturas de revenimento são encontradas em tabelas e para os aços ao carbono variam entre 210ºC e 320ºC.

O recozimento é o tratamento térmico que tem por finalidade eliminar a dureza de uma peça temperada ou normalizar

materiais com tensões internas resultantes do forjamento, da laminação, trefilação, etc.

Muitas peças de mecânica necessitam ter elevada dureza externa para resistirem ao desgaste; entretanto, internamente

precisam permanecer “moles”, para suportarem solavancos. Essas peças geralmente são em aço de baixa porcentagem de

carbono e recebem um tratamento denominado cementação.

A cementação é um tratamento que consiste em aumentar a porcentagem de carbono numa fina camada externa da peça .

Após a cementação tempera-se a peça; as partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas permanecem

sem alterações.

A cementação é feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono

(carburante). Quando a peça atinge alta temperatura (750ºC a 1.000ºC) passa a absorver parte do carbono do carburante.

Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada. Os carburantes podem

ser sólidos, (grãos ou pós), líquidos ou gasosos. A qualidade dos carburantes influi na rapidez com que se forma a camada.

A nitretação é um processo semelhante à cementação, que se faz aquecendo o aço a uma temperatura de 500ºC a

525ºC na presença de um gás denominado Nitrogênio. Após algum tempo, obtém-se uma fina camada, extremamente dura, não

havendo necessidade de se temperar a peça.