MATERIAIS PARA ENGENHARIA DE PETRÓLEO

- EPET069 -

Propriedades Elétricas

Propriedades Térmicas

Condutividade ElétricaPROPRIEDADES ELÉTRICAS

1820

• Físicos podiam produzir e detectar correntes elétricas;

• Medir diferenças de potenciais;

• Quantificar resistência elétrica.

1827• Formulou-se a lei de Ohm

Georg Simon Ohm

𝑈 = 𝑅𝑖

Condutividade Elétrica

A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e

está relacionada com a resistência elétrica

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

𝜌 = 𝑅𝐴

𝑙

A condutividade elétrica (σ) indica a facilidade com que

um material conduz corrente elétrica e é o inverso da

resistividade:

𝜎 =1

𝜌

Condutividade ElétricaPROPRIEDADES ELÉTRICAS

Resistividade elétrica dos metais e

ligas

A resistividade elétrica de um material metálico monofásico

pode ser considerada (regra de Matthiessen) como sendo a

soma de várias parcelas:

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

𝜌 = 𝜌𝑡 + 𝜌𝑖 + 𝜌𝑑

- Contribuição devida às vibrações térmicas

- Devida às impurezas;

- Devida às deformações.

𝜌𝑡

onde,

𝜌𝑖

𝜌𝑑

Resistividade elétrica dos metais e

ligasPROPRIEDADES ELÉTRICAS

Resistividade elétrica dos metais e

ligas

A contribuição da temperatura, acima da temperatura de

Debye, geralmente obedece uma relação linear:

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

𝜌𝑡 = 𝜌0 + 𝑎𝑇

A contribuição dos átomos de soluto em solução sólida é

descrita pela regra de Nordheim:

𝜌𝑖 = 𝐴𝑐𝑖(1 − 𝑐𝑖)

Condutividade Elétrica em sólidos

iônicos

A condutividade elétrica dos sólidos iônicos (e covalentes), em

geral, aumenta com a temperatura.

A condutividade elétrica de um sólido iônico, ao contrário de

um covalente, aumenta abruptamente ao se fundir, devido à sua

condutividade iônica.

Esta diferença de comportamento é um bom critério

para diferenciá-los.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Condutividade Elétrica em sólidos

covalentes

A condutividade elétrica da maioria dos polímeros comerciais na

temperatura ambiente encontra-se na faixa entre 10-10 Ω-1m-1 e

10-17 Ω-1m-1.

Nos polímeros de alta pureza a condução é eletrônica.

A condução iônica pode ser ativada pela presença de

impurezas, restos de monômeros e catalizadores ou pelo

aumento da temperatura.

A presença de aditivos condutores pode aumentar a

condutividade elétrica para valores na faixa entre 1 e 50 Ω-1m-1,

como é o caso de algumas borrachas de silicone.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Condutividade Elétrica em sólidos

covalentes

Alguns polímeros condutores foram descobertos recentemente.

Eles apresentam condutividades tão altas como 1,5 107 Ω-1m-1, o

que representa, em termos de volume 1⁄4 da condutividade do

cobre, ou o dobro, em termos de peso.

Exemplos de polímeros condutores são o poliacetileno e a

polianilina.

Os mecanismos de condução dos polímeros condutores são

pouco conhecidos.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Supercondutividade

É a observação da resistência elétrica nula;

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

Heike Kamerling-Onnes

1911•Observou-se que a resistividade elétrica

diminuía com a diminuição da temperatura

1913•Ganhou o prêmio Nobel de Física pelo

descobrimento

1986•Descoberta de supercondutores com

temperatura crítica superiores a 23K

SupercondutividadePROPRIEDADES ELÉTRICAS

TermoeletricidadePROPRIEDADES ELÉTRICAS

Indução de uma diferença de potencial ao longo do fio

Comportamento DielétricoPROPRIEDADES ELÉTRICAS

Um material dielétrico é um material isolante que apresenta em

nível atômico ou molecular regiões carregadas positivamente

separadas de regiões carregadas negativamente.

A constante dielétrica de um material é muito

importante no projeto e na sua utilização em capacitores.

A rigidez dielétrica é uma medida da tensão

máxima que o material pode suportar antes de perder suas

características de isolante.

Os valores de rigidez dielétrica dos polímeros, cerâmicas e vidros

estão na faixa de 10 a 40 V/mm.

Comportamento DielétricoPROPRIEDADES ELÉTRICAS

Tipos de materiais dielétricos:

• Materiais Ferroelétricos

• Apresentam constante dielétrica extremamente alta e

capacitores fabricados com eles podem ser muito

menores que os fabricados com outros materiais

dielétricos

• Materiais Piezoelétricos

• São utilizados como transdutores, que são componentes

que convertem energia elétrica em deformação

mecânica e vice-versa. Eles são usados, por exemplo,

em microfones.

PROPRIEDADES TÉRMICAS

IntroduçãoPROPRIEDADES TÉRMICAS

Resposta ou reação do material à aplicação do calor

Tipos de energia térmica:

• Energia vibracional dos átomos;

• Energia cinética dos elétrons livres.

Propriedades a serem trabalhadas:

• Capacidade térmica;

• Expansão térmica;

• Condutividade térmica.

Capacidade Térmica

Aptidão do material de absorver calor do meio externo;

A definição matemática da capacidade térmica:

PROPRIEDADES TÉRMICAS

𝐶 =𝑑𝑄

𝑑𝑇

Einstein e Debye mostraram que o calor específico aumenta

até uma certa temperatura, denominada temperatura de

Debye, tornando-se a partir daí aproximadamente constante.

Capacidade TérmicaPROPRIEDADES TÉRMICAS

Capacidade TérmicaPROPRIEDADES TÉRMICAS

PROPRIEDADES TÉRMICAS Dilatação Térmica

Na ausência de transformações de fase, a maioria dos sólidos

aumenta de dimensões durante o aquecimento e contrai

durante o resfriamento.

O coeficiente de dilatação térmica linear (𝛼𝐿) é definido como:

𝛼𝐿 =𝑙𝑓 − 𝑙𝑖

𝑙𝑖 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖

Para materiais isotrópicos:

𝛼𝑉 ≈ 𝛼𝐿

PROPRIEDADES TÉRMICAS Dilatação Térmica

Condutividade TérmicaPROPRIEDADES TÉRMICAS

É a propriedade que caracteriza a habilidade de um material para

transferir calor;

Para um fluxo estacionário de calor pode-se escrever:

𝑞 = −𝑘𝑑𝑇

𝑑𝑥

Condutividade TérmicaPROPRIEDADES TÉRMICAS