O documento descreve as três principais ciências térmicas: termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. A termodinâmica estuda as transformações de energia em sistemas, enquanto a mecânica dos fluidos lida com o transporte de energia durante o escoamento de fluidos. A transferência de calor descreve a transferência de energia devido a diferenças de temperatura.

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, 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. 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:

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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 .

7. 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.

8. 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.

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 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

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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

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 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.

15. 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

16. 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.

17. 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.

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 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),

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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.

23. 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

24. 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.

25. 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;

26.  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.

27. 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.