1      CIÊNCIAS TÉRMICAS       As ciências térmicas são normalmente constituídas pela termodinâmica, mecânica dos fluidos ...
2     TERMODINÂMICA      A ciência da termodinâmica envolve o estudo da energia associada com uma certa quantidade de maté...
EC = MV²/2onde M é a massa do sistema e V é a velocidade do sistema. No campo gravitacional terrestre, a energia potencial...
que a direção oposta é impossível. Talvez ainda mais significante é o fato de que a segunda lei nos diz que trabalho pode ...
à variação de energia do sistema. Como o calor e o trabalho são as únicas formas de energia que podem atravessar uma front...
observadas. Ela também tem algo de negativo em sua formulação. A primeira lei mostrou que a energia não pode ser criada ou...
3      MECÂNICA DOS FLUIDOS       Uma vez que uma fonte de energia foi identificada, o emprego útil desta energia normalme...
4     TRANSFERÊNCIA DE CALOR      Faz parte da nossa experiência cotidiana que quando duas substâncias à temperaturas dife...
4.1   CONDUÇÃO      Um corpo sólido isolado está em equilíbrio térmico se a sua temperatura for a mesma em qualquer parte ...
o sistema, a aplicação da primeira lei, na sua forma em termos de fluxo, pode ser utilizada para diminuição da energia int...
molecular e cuja taxa de transferência é controlada pelas propriedades termofísicas e pela distribuição de temperaturas. O...
4.2   RADIAÇÃO      Até o momento o trabalho apresentou os processos de transferência que envolvem os transportes de energ...
5     MUDANÇA DE ESTADO      A troca de calor entre materiais, ou seja, propagação de energia térmica, pode causar mudança...
aumentar.      Solidificação   é     a   passagem    do    estado    líquido   para   o   estado    sólido,   através   de...
6     CALOR      Calor é definido como a energia em trânsito devido à diferença de temperaturas e que não está associada c...
vizinhança, então tal troca de energia não pode ser chamada de calor. Como a experiência cotidiana indica, calor flui de u...
8      CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS       Ciência e engenharia dos materiais, é um campo interdisciplinar voltado à ...
Há formas de classificação dos materiais. Uma delas considera cinco categorias:           Metais e ligas;           Cerâ...
as cerâmicas não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. Além disso,...
termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são geralmente fundidos evaz...
As propriedades mecânicas dos materiais são fundamentais em muitas tecnologias emergentes e tradicionais. Na produçãode av...
obtidas a partir de testes idealizados, que podem não se adequar exatamente às aplicações reais. Materiais com a mesmacomp...
A deformação permanente de um material é conhecida como deformação plástica. Nesse caso, quando a tensão éremovida, o mate...
força e deslocamento são então convertidos em tensão e deformação, respectivamente. Da curva tensão-deformação obtém-seain...
As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentos térmicos modificam, em maior oumenor esc...
 Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.        Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um...
A nitretação é um processo semelhante à cementação, que se faz aquecendo o aço a uma temperatura de 500ºC a525ºC na presen...
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  1. 1. 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, emassociação com as leis da dinâmica, proporciona o conhecimento sobre o qual se desenvolvem as relações usadas no estudo damecânica dos fluidos e da transferência de calor. A termodinâmica é mais conceitual do que as duas ciências térmicas em muitosaspectos. Na análise termodinâmica pouca atenção é dirigida para o mecanismo real usado para transportar o fluido de umaposição para outra ou, ainda, para o projeto do equipamento que vai transformar uma forma de energia em outra por um dadoprocesso termodinâmico. Como exemplo, o desempenho do ciclo de refrigeração de um refrigerador doméstico não dependeapenas das condições de operação estabelecidas através de uma análise termodinâmica do ciclo, mas depende também dahabilidade de se projetar os componentes para que se desempenhem as condições de operação desejadas. O projeto docondensador, evaporador, compressor e válvulas de controle é baseado em princípios de transferência de calor e mecânica dosfluidos.
  2. 2. 2 TERMODINÂMICA A ciência da termodinâmica envolve o estudo da energia associada com uma certa quantidade de matéria ou com umvolume bem definido do espaço. A quantidade fixa de matéria é chamada de sistema termodinâmico, enquanto que o volume bemdefinido 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 oudeixar o sistema e ser transferida em apenas duas formas: calor ou trabalho. Se a transferência de energia dor devido à diferençade temperaturas entre o sistema e a vizinhança, então a transferência de energia se dará como calor, caso contrário serátransferida como trabalho. A palavra transferência é redundante e é usada apenas para enfatizar que calor é a energia que estásendo transferida. Trabalho é a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema devido a algum potencial diferente datemperatura, e se apresenta em muitas formas. Há trabalho mecânico no qual uma força atua através do deslocamento dafronteira do sistema, como acontece com o pistão de um motor de combustão interna. Há trabalho elétrico em que um potencialelétrico atua sobre uma carga elétrica na fronteira do sistema. Muitos sistemas envolvem o trabalho mecânico, já que ele estásempre 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 somaalgébrica de todas as formas de energia que cruzam a fronteira do sistema fosse igual à variação líquida da energia armazenadainternamente pelo sistema. Desde que o calor e trabalho são apenas as duas formas de energia que cruzam a fronteira dosistema, a soma algébrica do calor com o trabalho deve ser igual à variação líquida armazenada ou possuída pelo sistema. Aenergia possuída pelo sistema pode ser energia cinética, potencial e energia interna. De um estudo da física a energia cinética écalculada por:
  3. 3. EC = MV²/2onde M é a massa do sistema e V é a velocidade do sistema. No campo gravitacional terrestre, a energia potencial é dada por: EP = Mgzonde 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 gao 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 ocentro do planeta. Contudo, estaremos freqüentemente interessados em seu valor, uma vez que a orientação estará sempresubentendida, e o símbolo g será usado. Para avaliar a energia armazenada pelo sistema, devemos conhecer alguma coisa sobre o comportamento do material ousubstância e as relações entre as propriedades da substância. Algumas vezes essas propriedades são apresentadas na forma deequações 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 serdeterminada de forma que a variação da energia armazenada no sistema possa ser calculada. Algumas das mudanças daspropriedades de uma substância evoluem em apenas uma direção. Essa direção natural é dada pela segunda lei datermodinâmica. Se um bloco escorrega com uma velocidade uniforme em um plano inclinado num espaço gravitacional, a energiapotencial é dissipada na forma de atrito entre o bloco e o plano. Mesmo que assumamos que a energia decorrente do atrito possade alguma forma ser armazenada no bloco ou no plano, não há nenhuma maneira pela qual possamos utilizá-la para restituir obloco para sua posição inicial. Portanto, há uma direção natural para esse processo de dissipação e a segunda lei de nos informa
  4. 4. que a direção oposta é impossível. Talvez ainda mais significante é o fato de que a segunda lei nos diz que trabalho pode sercompleta e continuamente convertida em calor, mas o processo inverso de conversão completa é impossível. Sempre que ocorre aconversão contínua de calor em trabalho num dado sistema, apenas parte de calor fornecido vai poder ser convertido em trabalhoe o excedente deve ser rejeitado. Há um limite teórico para a fração de calor fornecida que pode ser convertida em trabalho numprocesso 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 omesmo 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 oprocesso mais eficiente. Quando um equipamento ou dispositivo opera continuamente em um dado período de tempo, o analisamos usando umvolume 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 compreensãoe 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 deconservação afirma que a soma algébrica de toda a energia que cruza a fronteira do sistema deve ser igual
  5. 5. à variação de energia do sistema. Como o calor e o trabalho são as únicas formas de energia que podem atravessar uma fronteirade sistema. δQ – ΔW = dE O sinal negativo aparece com o termo de trabalho por causa da convenção de sinal adotada para o trabalho. A equaçãodefine a propriedade E, chamada energia do sistema. Na ausência de efeitos elétricos, magnéticos e superficiais, esta quantidadede 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 leipode ser escrita da seguinte forma: δQ – δW = dU2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Segundo Schmidt, a primeira lei da termodinâmica não foi provada por nenhum experimento, nem foi derivada de quaisquerconsiderações fundamentais. Ela foi simplesmente enunciada e sua prova está no fato de não terem sido observadas violaçõesdessa lei. A segunda lei da termodinâmica é similar a esse respeito, a sua prova também está no fato de violações não terem sido
  6. 6. observadas. Ela também tem algo de negativo em sua formulação. A primeira lei mostrou que a energia não pode ser criada oudestruída, 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 algunsprocessos. 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 edireções que não percorrem a não ser com a ajuda de forças externas. A segunda lei da termodinâmica fornece meios formaispara 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 demáxima 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 datermodinâmica. Essa abordagem foi mencionada somente para ajudar a compreender o significado da segunda lei .
  7. 7. 3 MECÂNICA DOS FLUIDOS Uma vez que uma fonte de energia foi identificada, o emprego útil desta energia normalmente necessita que ela sejatransportada de uma posição espacial para outra. Por exemplo, um sistema de aquecimento de água ou ar produz uma fonte deenergia térmica pela combustão do óleo ou gás num certo local de um edifício, por exemplo. Para fornecer calor para o resto doedifício, a energia deve ser transportada daquela localização para diversas partes do edifício. Isso é realizado pela transferênciada energia para um fluido de trabalho, água ou ar, e, então movimentando-o ou movimento do fluido é chamado de mecânica dosfluidos. Um fluido é definido como uma substância que se deforma continuamente quando submetido a uma tensão decisalhamento, 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 superfíciede 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 seopõem ao seu movimento. É importante compreender a origem dessas forças que se opõem ao movimento do fluido e comoestimar seus valores e direção para o projeto das superfícies por onde o fluido vai escoar, e minimizar a quantidade de energiarequerida para transportar o fluido de duas localizações.
  8. 8. 4 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Faz parte da nossa experiência cotidiana que quando duas substâncias à temperaturas diferentes são colocadas emcontato, a temperatura da substância mais quente vai diminuir e a temperatura da substância mais fria vai aumentar, no caso denão haver troca de fase. Como uma ilustração desse fenômeno, considere o fato corriqueiro de uma lata de refrigerante que éretirada de um refrigerador e colocada sobre a mesa. A temperatura do refrigerante vai começar a aumentar, porque ocorrerá umfluxo de energia para o mesmo ar no ambiente que está mais aquecido. Após certo tempo, energia suficiente terá sido transferidapara o refrigerante, de forma que poderemos sentir o acréscimo de temperatura simplesmente pelo toque na lata. Não poderemossentir uma diminuição da temperatura do ar devido á quantidade enorme de ar ambiente que envolve a lata, muito embora aintuição nos diga que energia foi transferida do ar para o refrigerante. Se continuarmos a monitorar o refrigerante, também vamosnotar que a sua temperatura vai continuar a aumentar até que esta se iguale à temperatura do ar. Portanto, podemos concluir quese uma diferença de temperaturas está presente, então existe um fluxo de energia. Os fenômenos físicos e os parâmetros, alémda diferença de temperaturas, que governam a taxa e a quantidade de transferência de energia não são óbvios. Quando atransferência de energia é o resultado de apenas uma diferença de temperaturas, sem a presença de trabalho, então estatransferência 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 efluidos ou em suas combinações. Essa informação é, então, usada para prever a distribuição de temperatura e a taxa detransferência de calor em sistemas termodinâmicos e equipamentos.
  9. 9. 4.1 CONDUÇÃO Um corpo sólido isolado está em equilíbrio térmico se a sua temperatura for a mesma em qualquer parte do corpo. Se atemperatura no sólido não for uniforme, calor será transferido por atividade molecular das regiões de temperaturas elevadas paraas regiões de baixas temperaturas. O processo, chamado de condução de calor, é dependente do tempo, e continuará até que umcampo 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 emcontato com as vizinhanças. As condições térmicas nas superfícies, que são chamadas de condições de contorno, determinam adistribuição de temperatura no sólido. Exemplos de condições de contorno típicas: a temperatura da superfície é conhecida; asuperfície está em contato com o fluido; o fluo de energia através da superfície é conhecido; e a superfície está completamenteisolada das vizinhanças. Essas condições podem ser independentes do tempo resultando em condução de calor em regimepermanente. Se uma ou mais das condições de contorno são dependentes do tempo, a distribuição de temperatura no sólidotambém 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 esegunda lei da termodinâmica. A primeira lei é usada de dois modos. A primeira lei, na sua forma em termos de fluxo é escrita paraum sistema composto de um cubo infinitesimal do sólido. A lei de Fourier é usada para representar o fluxo de energiaatravessando as fronteiras do cubo. A equação diferencial de energia para condução de calor é obtida utilizando o limite daexpressão 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 detemperaturas no sólido e a taxa de transferência de calor através das fronteiras. Se o sólido como um todo for considerado como
  10. 10. o sistema, a aplicação da primeira lei, na sua forma em termos de fluxo, pode ser utilizada para diminuição da energia interna dosistema. A descrição do fenômeno físico, associado com o processo de condução de calor a nível microscópio, é dependente daestrutura molecular do material. Em um gás, a energia cinética, das moléculas é função da temperatura do gás. As moléculas degás, em uma região de elevadas temperaturas, possuem energia cinética maior do que aquelas moléculas em uma região debaixas temperaturas. Uma vez que todas as moléculas se encontram continuamente em movimento aleatório, colisões ocorrerãoentre moléculas a temperaturas elevadas e baixas. Como resultado dessas colisões, uma parte da energia cinética das moléculascom elevada temperatura será transferida às moléculas a baixa temperatura. Em um sistema isolado, esse processo continuaráaté que um estado de equilíbrio térmico seja atingido, no qual qualquer amostra aleatória de moléculas indicará que elas possuema mesma energia cinética média. O processo de condução de calor é muito mais complicado para líquidos e sólidos. Outros mecanismos microscópicos detransporte de energia, particularmente aqueles associados com vibrações em rede e transporte livre de elétrons, precisam serconsiderados. Suas contribuições para o processo global de transferência de calor podem, para certos materiais, ser bastantesignificantes.4.2 CONVECÇÃO Transferência de calor por convecção é a transferência de energia entre um fluido e uma superfície sólida. Dois fenômenosdiferentes estão presentes. O primeiro fenômeno é a difusão ou condução de energia através do fluido devidoà presença de um gradiente de temperatura dentro do fluido. O segundo fenômeno é a transferência de energia dentro do fluidodevido ao movimento do fluido de uma posição para outra. Como já observamos, condução é um transporte de energia a nível
  11. 11. molecular e cuja taxa de transferência é controlada pelas propriedades termofísicas e pela distribuição de temperaturas. Osegundo fenômeno está associado como as características macroscópicas do movimento ou escoamento do fluido, bem como aspropriedades 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 atemperatura da superfície e a do fluido. Se a superfície estiver imersa por uma quantidade muito grande de fluido, o efeito datransferência de energia sobre a temperatura desta massa de fluido será desprezível. Essa situação é classificada comoescoamento externo e a diferença de temperaturas que causa a transferência de energia é a diferença entre a temperatura dacorrente 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 dofluido. A transferência de energia do fluido vai causar com que a temperatura média do fluido varie conforme o fluido escoe notubo. 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 desistema, já que os fenômenos microscópicos e macroscópicos estão envolvidos.
  12. 12. 4.2 RADIAÇÃO Até o momento o trabalho apresentou os processos de transferência que envolvem os transportes de energia, a nívelmolecular ou aquele associado com o movimento de um fluido. Esses processos de transferência foram classificados comocondução 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 radiaçãotérmica é um fenômeno ondulatório. A distribuição de energia que deixa uma superfície na forma de radiação térmica depende docomprimento de onda. Quando a radiação térmica atinge uma dada superfície, a quantidade de energia absorvida vai depender dadistribuição espectral da radiação incidente bem como do acabamento superficial. A característica ondulatória da transferência de energia requer que se considere a orientação geométrica das superfíciesenvolvidas no processo de transferência de calor. Transferência de energia direta é apenas possível entre superfícies que se vêemmutuamente. Quando se calcula a taxa da transferência de calor de uma superfície envolvida por ar, é necessário que se considere tantoconvecção como radiação. Contudo, se a região que envolve as superfícies estiver em vácuo, então apenas a transferência porradiação vai estar presente. A radiação será o modo dominante de transferência de calor quando existir uma diferença substancialde temperatura entre a vizinhança e a superfície. Se a diferença de temperatura for pequena, a convecção será o mecanismoprincipal 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 érelativa. Se não estiver certo em que classificação seu problema se enquadra, recomenda-se que e a taxa de transferência decalor seja calculada para ambos os modos e, então, compará-las. Depois de resolver alguns problemas, irá começar a desenvolveruma habilidade para identificar o modo dominante de transferência de calor.
  13. 13. 5 MUDANÇA DE ESTADO A troca de calor entre materiais, ou seja, propagação de energia térmica, pode causar mudanças nos materiais que trocamenergia. As principais mudanças que podem ocorrer num material devido a variações de sua energia térmica são: variação datemperatura, variação de volume e mudança de estado físico. Todos os materiais são formados por moléculas (menor parte damatéria que conserva as características de uma substância), sendo que a maioria dos materiais que encontramos na natureza sãoformados pela mistura de diferentes substâncias. O efeito do aumento de energia térmica num material é o aumento davelocidade com que as moléculas se movem (vibram) no material. O aumento de temperatura se dá por que a temperatura quesentimos é um indicativo da energia cinética com que as moléculas estão vibrando, ou seja, o quão rápido as moléculas estão semovimentando. O estado físico de um material, sólido, líquido ou gasoso, é devido à interação elétrica existente entre as moléculasdas substâncias de que é formado o material. Com o aumento da energia térmica das moléculas, ou seja, com o aumento daintensidade com que vibram as moléculas, chega-se a uma certa temperatura onde a intensidade da vibração é suficiente parasuperar a interação molecular existente. Então ocorre a mudança de estado. As moléculas de um sólido vibram em torno de umaposição fixa; na mudança para o estado líquido as moléculas deixam de ter esta posição fixa de vibração, e com isso podem sedeslocar de um lugar para outro. Na mudança do estado líquido para o gasoso, as moléculas deixam de ter interações entre si epassam a se movimentar para qualquer direção, se movendo por todo o ambiente em que estiver o gás. A diminuição daquantidade 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 aumentaenquanto está a acontecer a fusão. Depois de toda a substância passa para o estado líquido é que a temperatura volta a
  14. 14. 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 sódepois 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 queestá a passar do estado líquido para o estado gasoso permanece inalterada, só voltando a aumentar quando toda a substânciaestiver no estado gasoso. Condensação é passagem do estado gasoso para o estado líquido, devido ao um arrefecimento. Quando a substânciagasoso inicia a condensação, a temperatura fica inalterada até que a totalidade esteja no estado líquido, e só depois a temperaturacontinua a baixar. Sublimação é a passagem direta de uma substância do estado sólido para o estado gasoso, por aquecimento, ou do estadogasoso para o estado sólido, por aferrecimento.
  15. 15. 6 CALOR Calor é definido como a energia em trânsito devido à diferença de temperaturas e que não está associada comtransferência de massa. Essa é uma definição bastante específica e precisa e pode ser alguma forma diferente de alguma outradefinição 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 asuperfície de controle do volume de controle. Um sistema ou volume de controle não possui calor, mas a energia é identificadacomo calor apenas quando esta cruza a fronteira ou superfície de controle. Calor não pode ser armazenado e deve ser convertidopara 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 deenergia ocorrer através de uma superfície de controle devido ao transporte de massa, então aquela forma de transferência deenergia 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 energiaatravés da fronteira á causado por qualquer outro potencial que não seja a diferença de temperaturas entre o sistema e a
  16. 16. vizinhança, então tal troca de energia não pode ser chamada de calor. Como a experiência cotidiana indica, calor flui de umaregião 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 elenão é uma propriedade. Então, não se diz calor em um sistema ou calor de um sistema; isto não faria nenhum sentido à luz dedefinição de calor. A troca de calor de/ou para um sistema necessariamente exige uma mudança do estado daquele sistema e aquantidade 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 umadiferença de um potencial que não seja temperatura. A similaridade entre esta definição e a do calor é visível. Há apenas duasmaneiras pelas quais um sistema pode trocar energia com a vizinhança: calor e trabalho. Se o potencial para a transferência deenergia for temperatura, então a transferência de energia é chamada calor; se o potencial for de outra forma diferente detemperatura, então transferência de energia é chamada de trabalho. O trabalho pode ser visto como o produto de uma forçageneralizada por um deslocamento generalizado. Os mesmos pontos principais que se aplicam ao calor também se aplicam ao trabalho. Trabalho é energia que cruza afronteira; 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 algoarmazenado ou possuído pelo sistema ou volume de controle, significa que ele não é uma propriedade. Então, trabalho é umafunção do caminho que o sistema percorre quando muda de estado.
  17. 17. 8 CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS Ciência e engenharia dos materiais, é um campo interdisciplinar voltado à invenção de novos materiais e aoaperfeiçoamento 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 descriçãodetalhada de arranjo de átomos. O termo síntese refere-se ao modo como os materiais são feitos, a partir de quais substânciasquímicas encontradas na natureza ou sintetizadas pelo homem. O termo processamento diz respeito ao modo como os materiaissão transformados em componentes úteis e com propriedades adequadas. A ciência dos materiais concentra-se nos fundamentoscientíficos da correlação entre síntese e processamento, microestrutura e propriedades dos materiais. Já a engenharia dosmateriais, 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, aestrutura dos materiais tem grande influência sobre muitas de suas propriedades, mesmo com a composição química global nãoseja alterada. Algumas vezes, a descoberta de novos materiais, fenômenos ou dispositivos é classificada como revolucionária como adescoberta do transistor de silício, usado em chips de computadores. Por outro lado, os materiais apropriados ao longo do tempopodem ser igualmente importantes; esses materiais são conhecidos como evolutivos. Muitas ligas à base de ferro e de cobre, entreoutros, são exemplos de materiais evolutivos. Evidentemente, é importante reconhecer que vários materiais hoje consideradosevolutivos, foram, na realidade, revolucionários no passado. É comum que materiais e fenômenos sejam descobertos emdeterminada época e que os produtos e processos comerciais relacionados a esses materiais só apareçam no mercado muitosanos depois. A transição entre o desenvolvimento de novos materiais ou processos e suas aplicações comerciais ou industriaisúteis pode ser lenta e difícil.
  18. 18. 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 metaisapresentam 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 aplicaçõesestruturais. Embora metais puros raramente sejam usados, combinações de metais, as chamadas ligas, permitem melhorar um apropriedade específica desejada ou obter melhor combinação de propriedades. Cerâmicas: pode-se definir as cerâmicas como materiais cristalinos inorgânicos. As cerâmicas podem ser consideradas osmateriais mais naturais que existem. De fato, a areia das praias e as rochas são exemplos de cerâmicos em estado natural. Ascerâmicas avançadas são materiais feitos com o refino de cerâmicas naturais e por outros processos especiais. Essas cerâmicassão empregadas em substratos de chips de computadores, sensores e atuadores, capacitores, equipamentos para combinaçõessem fio, velas de ignição, indutores e isoladores elétricos. Alguns tipos de cerâmica são utilizados como revestimento de proteçãopara 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 esensores de oxigênio para automóveis. Quanto às cerâmicas tradicionais, são empregadas em tijolos, louças de cozinha, louçassanitárias, refratários (materiais resistentes ao calor) e abrasivos. Em geral, devido à presença de porosidade (pequenos orifícios),
  19. 19. as cerâmicas não são boas condutoras de calor e devem ser aquecidas a temperaturas altíssimas antes de fundir. Além disso, ascerâmicas são resistentes e rígidas, mas também bastante frágeis. Normalmente são preparados pós finos de cerâmica, que serãomoldados 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 excepcionalresistência 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 emfibras 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 formaçãodos vidros seguida de nucleação de pequenos cristais no seu interior, por meio de um processo térmico especial, dá origem amateriais conhecidos como vidro-cerâmicas. Polímeros: em geral, os polímeros são materiais orgânicos produzidos Por meio de um processo conhecido comopolimerização. Entre os materiais polímeros, podemos citar as borrachas e muitos outros adesivos. Vários polímeros apresentamelevada resistividade elétrica. Além disto, podem fornecer bom isolamento térmico. Embora tenham baia resistência, os políemrospossuem boa razão resistência-peso. Normalmente, não são adequados ao uso em altas temperaturas, entretanto, váriospolímeros são bastante resistentes a produtos químicos corrosivos. Empregam-se os polímeros em milhares de aplicações, decoletes 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 ospolímeros 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
  20. 20. termoplásticos são fabricados por conformação do material fundido, ao passo que os termofixos são geralmente fundidos evazados 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 emcomputadores e aparelhos eletrônicos, fazem parte de uma classe mais ampla de materiais conhecidos como materiaiseletrônicos. A condutividade elétrica dos materiais semicondutores situa-se entre a dois isoladores cerâmicos e a dos condutoresmetálicos. Os semicondutores viabilizaram a era da informação eletrônica. Em alguns semicondutores, pode-se controlar o grau decondutividade 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 dediferentes materiais. Formados por dois ou mais materiais, os compósitos dão origem a propriedades que não são encontradas emnenhum dos materiais individualmente. Concreto, compensado de fibra de vidro são exemplos de materiais compósitos. A fibra devidro, por exemplo, é obtida dispersando-se fibras de vidro em uma matriz polimérica. Essas fibras, então, tornam o polímero maisrígido, 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 feitascom outros materiais. Aviões e veículos aeroespaciais avançados dependem bastante dos compósitos, tais como polímerosreforçados com fibra de carbono. Equipamentos esportivos como bicicletas, tacos de golfe, raquetes de tênis e outros, tambémutilizam diferentes tipos de materiais compósitos leves e rígidos.9 PROPRIEDADES MECÂNICAS
  21. 21. As propriedades mecânicas dos materiais são fundamentais em muitas tecnologias emergentes e tradicionais. Na produçãode aviões, por exemplo, as ligas de alumínio ou os compósitos reforçados com carbono usados em componentes aeronáuticosdevem ser leves, resistentes e capazes de suportar cargas mecânicas cíclicas durante longos períodos de tempo. Os açosutilizados na construção de estruturas, como edifícios e pontes, devem ter resistência adequada, de modo que não comprometama segurança das edificações. Os plásticos empregados na fabricação de tubos, válvulas, pisos e outros elementos também devemter resistência mecânica apropriada. Outros materiais, como o grafite pirolítica e as ligas de cobalto, cromo e tungstênio, utilizadasem 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 massade seus materiais, como também da capacidade de atuar sob cargas de impacto. Esses exemplos mostram a importância daspropriedades mecânicas na utilização de materiais sob carregamento mecânico. Em várias outras aplicações, as propriedades mecânicas do material também desempenham papel importante, mesmoquando a propriedade específica que determinou sua escolha não é de natureza mecânica. Uma fibra óptica, por exemplo, deveapresentar resistência para suportar as tensões mecânicas decorrentes do seu uso. Uma liga de titânio biocompatível utilizadacomo 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 propriedadesmecânicas com as especificações de projeto e as condições de serviço. A primeira etapa do processo de seleção requer umaanálise, 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 aspropriedades nesses bancos, entender o que significam essas propriedades e compreender que as propriedades indicadas foram
  22. 22. obtidas a partir de testes idealizados, que podem não se adequar exatamente às aplicações reais. Materiais com a mesmacomposição 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 emformas úteis, empregando técnicas de processamento mecânico. O processamento de materiais, tal como no uso de aço epolímeros para a fabricação de peças de automóveis, requer entendimento detalhado das propriedades mecânicas em diferentestemperaturas e condições de solicitação mecânica. Um bom exemplo é o comportamento mecânico de aços e polímeros usadosnos componentes aerodinâmicos de automóveis. Podem-se encontrar diferentes tipos de solicitações mecânicas ao lidar com as propriedades mecânicas dos materiais. Emgeral, define-se tensão como a carga mecânica que age na unidade de área sobre a qual a carga foi aplicada. A deformação édefinida 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, emporcentagem. Define-se como deformação elástica como uma deformação reversível, resultado de uma tensão aplicada. A deformaçãoserá elástica se ocorrer simultaneamente com a tensão aplicada. Ela acontecerá enquanto a tensão estiver presente edesaparecerá assim que a tensão for removida. Os corpos sólidos sujeitos apenas à deformação elástica não têm suas dimensõesgeométricas alteradas permanentemente, isto é, voltam à forma original após a tensão ter sido removida. Imagine que uma molarígida de metal seja ligeiramente esticada e depois liberada. Se a mola voltar rapidamente às suas dimensões originais, adeformação observada será elástica.
  23. 23. A deformação permanente de um material é conhecida como deformação plástica. Nesse caso, quando a tensão éremovida, o material não volta à forma original. Um amassado na lataria de um automóvel é uma deformação plástica. A palavraplástica 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 deestruturas. Esse teste mede a resistência de um material a um carregamento mecânico elástico ou aplicado lentamente. As taxasde deformação de um teste de tração são reduzidas. Isso é conseguido pela movimentação do travessãoà velocidade constante. Os corpos-de-prova usuais tem diâmetro de 12,827 mm e comprimento útil de 50,8 mm. A amostra écolocada 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 odeslocamento do espécime (∆l) em relação a um comprimento inicial (lo). O teste de tração fornece dados do limite deescoamento, do limite de resistência, do módulo de elasticidade (Young) e da ductibilidade dos materiais. Em geral, é um testeaplicado em metais, ligas e polímeros. Para as cerâmicas não é muito difundido, pois as amostras são frágeis e podem romperdurante 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 decomprimento (∆l). Em geral, mede-se tal variação utilizando um sensor de deslocamento, chamado extensômetro. Os dados de
  24. 24. força e deslocamento são então convertidos em tensão e deformação, respectivamente. Da curva tensão-deformação obtém-seainda 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 porcompleto ao se remover a tensão aplicada. No entanto, se a tensão aplicada aumentar, o material cederáà tensão aplicada e apresentará tanto deformação elástica como plástica. O valor crítico de tensão necessário para iniciar adeformação plástica é definido como limite elástico do material. Nos materiais metálicos, essa é geralmente a tensão requeridapara dar início ao movimento das primeiras discordâncias ou ao deslizamento inicial dos planos cristalinos. No caso dos materiaispoliméricos, 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 difícildeterminar com precisão esses valores. Como os valores medidos dependem da sensibilidade di equipamento utilizado, é normaldefinir um limite convencional de escoamento. Os valores mais adotados de deformação são geralmente de 0,002 ou 0,2%. Emseguida, 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, sobcondições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suaspropriedades ou conferir-lhes características determinados.
  25. 25. As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentos térmicos modificam, em maior oumenor escala, a estrutura dos aços, resultando, em conseqüência na alteração mais ou menos pronunciada, de suaspropriedades. Cada uma das estruturas obtidas apresentam seus característicos próprios, que se transferem ao aço, conforme aestrutura 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 enos 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, istoé, nos estados forjado e laminado, quase todos os aços de alto carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamentesubmetidos 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;
  26. 26.  Modificação das propriedades elétricas e magnéticas. Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguida comprejuízo de outras. A têmpera é o tratamento térmico aplicado aos aços com porcentagem igual ou maior do que 0,4% de carbono. O efeitoprincipal 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-aem 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 normalizarmateriais com tensões internas resultantes do forjamento, da laminação, trefilação, etc. Muitas peças de mecânica necessitam ter elevada dureza externa para resistirem ao desgaste; entretanto, internamenteprecisam permanecer “moles”, para suportarem solavancos. Essas peças geralmente são em aço de baixa porcentagem decarbono 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 permanecemsem 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.
  27. 27. A nitretação é um processo semelhante à cementação, que se faz aquecendo o aço a uma temperatura de 500ºC a525ºC na presença de um gás denominado Nitrogênio. Após algum tempo, obtém-se uma fina camada, extremamente dura, nãohavendo necessidade de se temperar a peça.

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