Materiais de Construção - Ibracon - C7

Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Maria Teresa Paulino Aguilar Universidade Federal de Minas Gerais

Superfície e Interfaces

Capítulo 7


Uma interface é

a superfície ao longo da qual duas substâncias (folha em contato com a água), ou fases distintas de um mesmo material (um líquido em contato com seu próprio vapor), ou duas fases sólidas de um material polifásico

(ferrita

e cementita

dos aços) se

encontram.

Conceituação


•Figura 1 –

Superfície entre (a) duas substâncias(água e a folha) e entre (b) duas fases de uma mesma substância (argamassa com identificação das fases presentes por difratometria).

•(a)

•(b)

Conceituação


contornosde grão

contornos de macla

300x

Figura 2 –

Superfícies entre regiões de orientações cristalográficas diferentes (a) contornos de grão e (b) contornos de macla

em um aço inoxidável.

Conceituação


Caracterização

•

As superfícies têm sempre um comportamento diferente daquele que é

apresentado pelo interior do volume

considerado. 9 vizinhos semelhantes

(6 ao redor e 3 embaixo)

12 vizinhos semelhantes (6 ao redor, 3 embaixo e

3 em cima)

•Figura 3 –

Representação esquemática dos átomos no interior e na superfície de um sólido cuja estrutura do arranjo atômico é

hexagonal compacta.


Caracterização

•

Energia de superfície ou energia interfacial

dw = γ

dA

trabalho reversível à

temperatura constante (dw) necessário para aumentar de uma grandeza infinitesimal dA

a área superficial

γsv-ferro

= 0,3

J.m-2

a energia em excesso poder ter menores valores se a área de contato entre dois materiais ou fases diminuir


Caracterização

•

Tensão

superficial •

tendência natural de tornar mínima a energia de superfície pela minimização da área superficial (N.m-2)

•

sob temperatura constante:•

para líquidos e gases a tensão superficial (N.m-2) é

numericamente

igual ao aumento da energia superficial com o aumento da área (J.m-2)

•

nos sólidos a energia de superfície e a tensão superficial não são exatamente as mesmas.


Caracterização

•

Medidas

experimentais•

medidas precisas em interfaces envolvendo sólidos são difíceis e podem ser feitas considerando-se•

o número e a energia das ligações que devem ser rompidas para formar a superfície,

•

o calor de dissolução de pós finos de tamanho conhecido,•

um monocristal na forma de um fio fino sustentando uma massa em temperaturas próximas do ponto de fusão do fio.

•

a medida em fases com mobilidade se dá

a partir de considerações sobre o equilíbrio de forças que atuam na superfície


Considerações termodinâmicas

•

Energia livre total do sistema supondo que a energia de deformação é desprezível:

E =

Ev

V +

EA

A

•

para um sistema de dois componentes:

E =

Ev1

V1

+ Ev2

V2

+

EA

A

r1

fase 1

fase 2fase 2

fase 1

r2 r1 = r2 = 0

•Figura 4 –

Representação (a) de uma superfície esférica com raios de curvatura principais r1 e r2, e (b) de uma superfície plana, r1 = r2 = 0.


•movimento

da

interface

•variação

de área

variação

de pressão

equação

de Laplace,

•p2

= p1

+ 2γ

(1/r1

+ 1/r2

)

a pressão dentro de uma fase cuja superfície é

convexa é

maior que a pressão exterior

Considerações termodinâmicas


Efeitos

tensoativos

e eletrocinéticos

dw = γ

dA

•

Tendências naturais das superfíçies:•

diminuição de área e dissolução de outros átomos ou moléculas

efeitos tensoativosadsorção

•

de se carregar eletricamente, sendo que a mobilidade dos íons, sob a ação de um potencial elétrico externo, depende das interações entre os íons e a superfície

efeitos eletrocinéticosformação da camada dupla e à

ocorrência do potencial zeta


Adsorção

•

fenômeno de segregação de vários componentes na direção da superfície ou em direção contrária, de modo a reduzir a energia superficial ao aumentar a energia de ligação dos átomos da superfície.

•

equação de adsorção de Gibbs:

dγ

=

∫d lnp

•

tipos de adsorção:•

física

•

química


1

volume de vapor adsorvido

(Rr)

pressão de vapor relativa (p)

•Figura 5: Isoterma de Langmuir.

•

isoterma de adsorção•

isoterma de Langmuir

•

isoterma de BET

Rr = Kp

/ (1 + K p)

Adsorção


A camada dupla e o potencial zeta

•Figura 6: Variação do potencial zeta

em camada dupla condensada e difusa.

distância da superfície da partícula

potencial superficial

potencial zeta

camada de Stern

camada difusa

solução

partícula

dupla camada


••

•• •

•

••

•

•

••

•

•

•

Fenômenos

de superfície

•

Molhamento

•

Trabalho

de adesão

θγ•sv γ•lv

γ•sl

θγ•sv

γ•lv

γ•sl

θγ•sv

γ•lv

γ•sl

γsv

>

γlv

+ γsl γsv

<

γlv

, + γsl γsv

= γlv

cos θ

+ γsl

wad

= γsv

+ γlv

-

γsl


•

Capilaridade e permeabilidade•

capilares

verticais

•

capilares

horizontaisequação de Laplace:

Fenômenos

de superfície

α

r

h

p2

p1

p1

p2

h = 2 γlv

cosθ

/ (ρ

g

rt

)

se um líquido molha um sólido poroso, a pressão de vapor do líquido em um poro capilar é

menor do que fora dele


•

União de superfícies sólidas através de películas líquidas

F = 2γA / d

para uma união adequada, ao longo de uma determinada área de contato, é

necessário alta tensão superficial e espaço capilar entre

duas placas

•

União de partículas finas promovidas por um meio aquoso

Pad

= 4πγ

(r1

+ r2

)

Fenômenos

de superfície


Fenômenos

de superfície

•

Materiais

metálicos

•

Resistência mecânicaσ

= σo

+ k dg-1/2

•

Energia de falha de empilhamentoEDEaço

inoxidável

≈

19 mJ.m-2

EDEalumínio

≈

163 mJ.m-2

•

Nucleação e crescimento de fases sólidas

•

Forma e distibuição

das fases sólidas


Figura 9 -

Microestrutura dos ferros fundidos (a) cinzento e (b) nodular (cortesia do SENAI/CETEF).

350x 350x

Fenômenos

de superfície


•

Compósitos

para

fins estruturais•

a interface é

responsável pela transmissão de tensões da matriz

para os agentes de reforço;•

a interface é

comumente o local de penetração de substâncias

deletérias, como a água; •

as propriedades dos compósitos, de modo geral, dependem da morfologia da interface e da composição dos constituintes:

•

concretos reforçados com fibras curtas de aço apresentam comportamento mecânico distinto dos reforçados com fibras longas;

•

a utilização de fibras poliméricas curtas em concreto afeta as características de retração por secagem, enquanto o uso de fibras curtas de aço torna o composto mais tenaz;

•

interfaces autoregeneradoras.

Fenômenos

de superfície

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