aula_19_propriedades térmicas e elétricas
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•AULA 19
•Propriedades Térmicas e Elétricas dos Materiais
•Profa. Kaline Melo de Souto VianaProfa. Kaline Melo de Souto Viana
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•Propriedades Térmicas
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PROPRIEDADE TÉRMICAPROPRIEDADE TÉRMICA
• É a resposta de um material à aplicação de calor.
• Conforme um sólido absorve energia na forma de
calor, a sua “T” e suas dimensões aumentam.
• Propriedades térmicas mais usadas:
CAPACIDADE CALORÍFICA
EXPANSÃO TÉRMICA
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Importantíssimas para
a utilização prática de
um sólido
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CAPACIDADE CALORÍFICACAPACIDADE CALORÍFICA
• Quando um sólido é aquecido aumento na “T”
absorção de energia
Capacidade calorífica Capacidade calorífica – é a propriedade indicativa
da habilidade de um material absorver calor de sua
vizinhança externa.
FisicamenteFisicamente: quantidade de energia necessária para
produzir um aumento unitário na “T”.
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CAPACIDADE CALORÍFICACAPACIDADE CALORÍFICA
dQ é a energia necessária para
produzir uma variação dT na
temperatura.
Unidades – [J/mol-K]; [cal/mol-K]
Calor específico Calor específico (c) – representa a capacidade calorífica por
unidade de massa.
Unidades – [J/Kg-K]; [cal/g-K]
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CAPACIDADE CALORÍFICACAPACIDADE CALORÍFICA
Duas maneiras de ser medida:
CV – capacidade calorífica a volume constante
CP – capacidade calorífica a pressão constante
Para a maioria dos materiais sólidos: CV CP
T Tamb
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Capacidade Calorífica VibracionalCapacidade Calorífica Vibracional
Nos sólidos a assimilação de energia térmica é pelo
aumento da energia vibracional dos átomos.
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Capacidade Calorífica VibracionalCapacidade Calorífica Vibracional
(i) Essas vibrações produzidas
são coordenadas.
(ii) Produzem ondas que se
propagam pela rede
cristalina.
(iii) Essas ondas são consideradas elásticas ( - curtos; F –
muito altas; propagação na velocidade do som)
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Capacidade Calorífica VibracionalCapacidade Calorífica Vibracional
A energia vibracional para um
material consiste de uma
série dessas ondas elásticas.
Fônon – quantum de energia
vibracional.
Transportador de energia térmica
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Capacidade Calorífica e TemperaturaCapacidade Calorífica e Temperatura
• O valor de Cv = 0 em 0 K.
• Após isso, aumenta
rapidamente com a “T”.
habilidade das ondas
reticulares aumentar
a energia média com
a “T”.
• Para baixas “T” : A = cte.
independente da T
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Capacidade Calorífica e TemperaturaCapacidade Calorífica e Temperatura
• Acima da temperatura de
Debye, D, o valor de Cv se
estabiliza.
• Torna-se praticamente
independente da “T” num
valor de 3R.
R – cte. dos gases
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Outras Contribuições para a Capacidade Outras Contribuições para a Capacidade CaloríficaCalorífica
• Há outras contribuições para a absorção de energia
térmica além das vibrações reticulares.
CONTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA CONTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA – elétrons livres, que
absorvem energia térmica pelo aumento da energia
cinética.
Significativa apenas para metaisSignificativa apenas para metais
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EXPANSÃO TÉRMICAEXPANSÃO TÉRMICA
A maioria dos sólidos: Expande – aquecimento
Contrai – resfriamento
Variação no comprimento é função da “T”:
l0 – comprimento inicial T0 – temperatura inicial
lf – comprimento final Tf – temperatura final
l – coeficiente linear de expansão térmicaUnidades: [(°C)-1; K-1 ou (°F)-1]
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EXPANSÃO TÉRMICAEXPANSÃO TÉRMICA
• O aquecimento e o resfriamento afeta todas as
dimensões do sólido.
• Variação do volume em função da “T”:
• Em muitos materiais o valor de V é anisotrópico
(depende da direção cristalográfica ao longo do qual é
medido).
• Materiais isotrópicos: V l
V – variação no volumeV0 – volume original
V – coeficiente volumétrico de expansão térmica
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CONDUTIVIDADE TÉRMICACONDUTIVIDADE TÉRMICA
CONDUÇÃO TÉRMICA CONDUÇÃO TÉRMICA – fenômeno pelo qual o calor é
transportado das regiões de alta T para as regiões de baixa T em
uma substância.
Condutividade térmica:
q – fluxo ou transporte de calor por unidade de tempo ou de áreaUnidades: [W/m2]
k – condutividade térmicaUnidades: [W/m-K]
dT/dx – gradiente de temperatura através do meio de condução
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Mecanismos da Condução de CalorMecanismos da Condução de Calor
• O calor é transportado nos sólidos tanto por meio das
vibrações da rede cristalina (fônons) quanto por elétrons
livres.
CONDUTIVIDADE TOTALCONDUTIVIDADE TOTAL: k = kk = krr + k + kee
kr – condutividade térmica devido à vibração da rede
ke – condutividade térmica devido aos elétrons livres
OBS: Uma ou outra será predominante
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Mecanismos da Condução de CalorMecanismos da Condução de Calor
METAIS:
• O mecanismo eletrônico de transporte de calor é muito mais
eficiente do que a contribuição dada pelos fônons.
• Os elétrons são mais facilmente espalhados e mais velozes.
• Inúmeros elétrons livres participam da condução térmica.
• A condução térmica nos metais varia entre 20 – 400 W/m-K.
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Mecanismos da Condução de CalorMecanismos da Condução de Calor
CERÂMICAS:
• Os fônons são os principais responsáveis pela condução
térmica nos materiais não metálicos.
• Kr >>>> Ke.
• A condução térmica nas cerâmicas varia entre 2 – 50 W/m-K.
• Vidros e cerâmicas amorfas possuem condutividade menor do
que as cerâmicas cristalinas pois o movimento dos fônons é
dificultada pela estrutura altamente desordenada.
• O aumento da porosidade influencia negativamente na
condutividade térmica das cerâmicas.
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Mecanismos da Condução de CalorMecanismos da Condução de Calor
POLÍMEROS:
• A condução térmica nos polímeros são de aproximadamente
0,3 W/m-K.
• A condução térmica se dá por meio da vibração e da rotação
das moléculas da cadeia.
• A condutividade vai depender da cristalinidade da cadeia
um polímero com estrutura altamente cristalina e
ordenada irá apresentar uma condutividade maior do que o
material amorfo equivalente.
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TENSÕES TÉRMICASTENSÕES TÉRMICAS
• São tensões introduzidas em um corpo como resultado de
variações na “T”.
• Tensões térmicas podem levar à fratura ou a deformação
plástica indesejável.
• Podem ser originárias de três tipos:
DA RESTRIÇÃO A EXPANSÃO E CONTRAÇÃO TÉRMICA
DE GRADIENTE DE TEMPERATURA
DE CHOQUE TÉRMICO DE MATERIAIS FRÁGEIS
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TENSÕES RESULTANTES DA RESTRIÇÃO A EXPANSÃO E
CONTRAÇÃO TÉRMICA
ISOTRÓPICOT
ISOTRÓPICO
TA expansão será restringida!!!
No aquecimento – tensão compressivaNo resfriamento – tensão de tração
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TENSÕES RESULTANTES DE GRADIENTES DE
TEMPERATURA
Anisotrópico Anisotrópico
T
•No aquecimento, o exterior da amostra é mais quente e, portanto, expande-se mais do que as regiões internas.
tensões de compressão – superfícieTensões de tração - interior
•No resfriamento será o inverso!
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TENSÕES RESULTANTES DE CHOQUES TÉRMICOS DE
MATERIAIS FRÁGEIS
• Para polímeros e metais dúcteis o alívio das tensões
termicamente induzidas pode ocorrer por deformação plástica.
• Já para a cerâmicas, que não possuem ductilidade, aumenta a
possibilidade de fratura frágil devido a essas tensões.
• O resfriamento rápido de um material frágil tem maior
facilidade de causar choque térmico do que o aquecimento.
Capacidade de um material resistir ao
choque térmico
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•Propriedades Elétricas
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PROPRIEDADE ELÉTRICAPROPRIEDADE ELÉTRICA
• É a resposta de um material à aplicação de um campo
elétrico.
• Veremos:
CONDUÇÃO ELÉTRICACONDUÇÃO ELÉTRICA
MECANISMOS DE CONDUÇÃO ELETRÔNICAMECANISMOS DE CONDUÇÃO ELETRÔNICA
BANDAS DE ENERGIA X CONDUÇÃOBANDAS DE ENERGIA X CONDUÇÃO
CARACTERÍSTICAS DIELÉTRICAS DOS ISOLANTES
FERROELETRICIDADE E PIEZOELETRICIDADE
MetaisSemicondutoresisolantes
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CONDUÇÃO ELÉTRICACONDUÇÃO ELÉTRICA
• Uma das características elétricas mais importantes dos
materiais é a sua facilidade de transmitir corrente elétrica.
• LEI DE OHM:
• R é influenciada pela configuração da amostra e para muitos materiais
é independente da corrente.
V – voltagem aplicadaUnidade: [V – volt (J/C)]
I – corrente ou taxa de passagem de correnteUnidade: [A – ampère (C/s)]
R – resistência do material à passagem de corrente elétricaUnidade: [ - ohm (V/A)]
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CONDUÇÃO ELÉTRICACONDUÇÃO ELÉTRICA
RESISTIVIDADERESISTIVIDADE ()- é independente da geometria da amostra.
A – área da seção transversal perpendicular à direção da correntel – distância entre os dois pontos onde a voltagem é medida
- resistividade elétricaUnidade – [-m]
Representação esquemática de um sistema usado para medir a
resistividade elétrica
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Condutividade Elétrica - Condutividade Elétrica -
• É usada para especificar a natureza elétrica de um material.
• É o inverso da resistividade.
• Os materiais sólidos possuem uma ampla faixa de condutividade elétrica
(27 ordens de grandezas).
• Serve como um tipo de classificação dos materiais:
METAIS – bons condutores, condutividade da ordem de 107 (-m)-1
ISOLANTES – maus condutores, condutividade variando entre 10-10 a 10-20 (-m)-1
SEMICONDUTORES – condutividade intermediária, variando entre 10-6 a 104 (-m)-1
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Condução Eletrônica x Condução IônicaCondução Eletrônica x Condução Iônica
• Corrente elétrica Corrente elétrica – é o resultado do movimento de partículas
eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a
partir de um campo elétrico externo aplicado.
Condução eletrônica Condução eletrônica – corrente elétrica originada a partir do
fluxo de elétrons.
Condução iônica Condução iônica - corrente elétrica resultante do movimento de
íons carregados.
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Estruturas das Bandas de Energia nos Estruturas das Bandas de Energia nos SólidosSólidos
1 único elétron de valência “s”
2 elétrons de valência “s”
Ef – energia de Fermi – último nível de energia preenchido a 0 K
A condução ocorre quando um elétron livre é “levado” para um estado de energia
acima da Ef
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Condução e Bandas de EnergiaCondução e Bandas de Energia
• Apenas os e- que possuem energia > Ef (elétrons livres) é que
participam do processo da condução.
• BURACOBURACO – é uma outra entidade eletrônica que participa da condução
(nos isolantes e semicondutores), porém, possuem energia < Ef
• A condutividade elétrica de um sólido é uma função direta do seu número
de buracos e de elétrons livres. - condutividade elétrican – número de elétrons livres ou de condução por unidade de volume|e| - magnitude absoluta da carga elétrica (1,6 x 10-19 C)
µe – mobilidade eletrônica (dependente do campo elétrico aplicado)
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Condução e Bandas de Energia - METAISCondução e Bandas de Energia - METAIS
• Pouca energia é necessária para que ocorra a condução !!!
• A energia fornecida por um campo elétrico é suficiente para excitar um grande
número de elétrons.
![Page 33: Aula_19_propriedades térmicas e elétricas](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081519/557211d9497959fc0b8f972d/html5/thumbnails/33.jpg)
Condução e Bandas de EnergiaCondução e Bandas de EnergiaISOLANTES e SEMICONDUTORESISOLANTES e SEMICONDUTORES
Para que ocorra a condução, o e- deve ser excitado por uma energia > Ee, para “vencer” a barreira energética do espaçamento entre as bandas de
valência e a de condução
Geralmente essa energia de excitação é de fonte não-
elétrica (calor)
A distinção entre isolantes e
semicondutores está no tamanho do
espaçamento entre as bandas
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SEMICONDUTIVIDADESEMICONDUTIVIDADE
• A condutividade elétrica do materiais semicondutores não é tão
elevada quanto a dos metais.
• A PROPRIEDADE ELÉTRICA dos SEMICONDUTORES é fortemente
influenciada pela presença de impurezas.
• Tipos:
SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
aqueles nos quais o comportamento elétrico é baseado na estrutura eletrônica
inerente ao metal puro.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
aqueles em que as características elétricas dão ditadas pelos átomos de impureza.
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Semicondução IntrínsecaSemicondução Intrínseca
• Os semicondutores intrínsecos são caracterizados pela
estrutura da banda eletrônica.
• Semicondutores básicos:
Silício (Si) e Germânio (Ge) – Grupo IVA da T.P.
• Semicondutores compostos:
Arseneto de gálio (GaAs)
Antimoneto de índio (InSb)
Sulfeto de cádmio (CdS)
Telureto de zinco (ZnTe)
Grupo IIIA e VA
Grupo IIB e VIA
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Semicondução IntrínsecaSemicondução Intrínseca
• BURACOSBURACOS – espaço vazio deixado
pelo elétron que foi excitado e
“pulou” da banda de valência para
a banda de condução.
• Conseqüentemente outros e-
iram ocupar os buracos, gerando
outros, e assim promovendo um
“movimento” de buracos.
• BURACOSBURACOS – espaço vazio deixado
pelo elétron que foi excitado e
“pulou” da banda de valência para
a banda de condução.
• Conseqüentemente outros e-
iram ocupar os buracos, gerando
outros, e assim promovendo um
“movimento” de buracos.
A ausência de um elétron na banda de valência pode ser tratada como
uma partícula carregada positivamente - buraco
O buraco tem uma carga de 1,6 x 10-19 C.
Na presença de um campo elétrico, os e- excitados e os buracos se movem em direções opostas.
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Semicondução IntrínsecaSemicondução Intrínseca
• Condutividade intrínsecaCondutividade intrínseca• Condutividade intrínsecaCondutividade intrínseca
- condutividade elétrican – número de elétrons livres ou de condução por unidade de volumep – número de buracos por unidade de volume|e| - magnitude absoluta da carga elétrica (1,6 x 10-19 C)
µe – mobilidade eletrônica (dependente do campo elétrico aplicado)
µp – mobilidade do buraco (dependente do campo elétrico aplicado)
µp <<< µe
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Semicondução ExtrínsecaSemicondução Extrínseca
• Os semicondutores extrínsecos são caracterizados pela presença de
impurezas.
• A maioria dos semicondutores comerciais são extrínsecos.
• Mesmo as impurezas estando presentes e quantidades mínimas,
fornecem um excesso de buracos ou de e-.
• Exemplo:
uma concentração de apenas 1012 átomos de impurezas
presentes no Ge são suficientes para torná-lo extrínseco à T=amb !
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Semicondução Extrínseca do Tipo nSemicondução Extrínseca do Tipo n
• Tomando-se como base um semicondutor básico como o Si, que possui 4
elétrons de valência, e faz 4 ligações covalentes com outros 4 Si vizinhos.
• Ao ser adicionada uma impureza com valência 5 (grupo VA da T.P., por ex,: P,
As, Sb), apenas 4 elétrons participaram das ligações, “sobrando” 1 elétrons, que
por sua vez se torna elétron livre ou elétron de condução.
Impureza do tipo doadora – fornece elétrons extras
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Semicondução Extrínseca do Tipo pSemicondução Extrínseca do Tipo p
• O efeito contrário é observado quando adiciona-se por exemplo o Ge (valência 3
– Grupo IIIA – ex.: Al, B, Ga)
• Apenas 3 elétrons participaram das ligações, “faltando” 1 elétron, o que gera
um BURACOBURACO, que por sua vez tende a ser preenchido pelos elétrons vizinhos,
promovendo movimento de e-.
Impureza do tipo receptora – fornece buracos extras
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Semicondução Semicondução Extrínseca do Extrínseca do
Tipo n Tipo n
Semicondução Semicondução Extrínseca do Extrínseca do
Tipo p Tipo p
![Page 42: Aula_19_propriedades térmicas e elétricas](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081519/557211d9497959fc0b8f972d/html5/thumbnails/42.jpg)
CONDUÇÃO ELÉTRICA EM CERÂMICAS CONDUÇÃO ELÉTRICA EM CERÂMICAS IÔNICAS E EM POLÍMEROSIÔNICAS E EM POLÍMEROS
Isolantes = Polímeros e maioria das cerâmicas
Espaçamento entre bandas “grande”
Barreira da condutividade (T=amb.)
Aplicação como materiais de isolamento
Com T = isolantes apresentam da condutividade !!!
podendo ser semicondutores
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Condução em materiais iônicosCondução em materiais iônicos
• Em materiais iônicos, o movimento dos íons carregados gera uma
corrente elétrica adicional àquela devida ao fluxo de e-.
• Condutividade total de um material iônico será:
• A contribuição iônica aumenta com a T, mas mesmo com as duas
contribuições (iônica e eletrônica), a maioria dos materiais iônicos
permanece isolante.
•Mobilidade das espécies iônicas:
Qualquer uma dessas contribuições pode ser predominante, dependendo do material, de sua
pureza e da T.
µ - mobilidaden – valênciae – carga elétricaD – coef. de difusãok – condutividadeT - temperatura
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Propriedade elétrica dos polímerosPropriedade elétrica dos polímeros
• A maioria é isolante devido à falta de e- para a condução.
• Nos últimos anos têm sido fabricados “polímeros condutores”.
• Ex.: Poliacetileno, Poli-parafenileno, polipirrol e a aramida.
• Adicionadas “impurezas” como o iôdo e compostos com flúor (AsF5 e
SbF5)
• e- extras fornecidos pelas impurezas são compartilhados com os e-
associados à ligações = e –
• Promovendo fluxo e e- condução ≈ semicondutores
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EXERCÍCIO
1.Para o cobre, a capacidade calorífica a volume constante, Cv, a 20K é de 0,38 J/mol-K e a temperatura de Debye é de 340K. Estime o calor específico a (a) 40K e (b) 400K.
2.Um fio de cobre com 15m de comprimento é resfriado desde 40ºC até -9ºC. Qual é a variação de comprimento desse fio? Dado l = 17 x 10-6 (ºC)-1.
3.Um bastão de latão deve ser usado em uma aplicação que requer que suas extremidades sejam mantidas rígidas. Se à Temperatura ambiente (20ºC) o bastão está livre de tensões, qual é a temperatura máxima até a qual esse bastão pode ser aquecido sem que uma tensão de compressão de 172MPa seja exercida? Considere o módulo de elasticidade de 100GPa para o latão. Dado l = 20 x 10-6 (ºC)-1.
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EXERCÍCIO
4. Átomos de arsênio na proporção de 1023 m-3 são adicionados ao silício de alta pureza.(a)Esse material é do tipo n ou p?(b)Calcule a condutividade elétrica desse material na temperatura ambiente, sabendo que a mobilidade dos elétrons nessa temperatura é de 0,07 m2/V-s.