Universidade FeevaleInstituto de Ciências Exatas e Tecnológicas
Curso de Design – Bacharelado
CONDUTIVIDADE TÉRMICA E DIFUSIVIDADE TÉRMICA
Materiais e Processos IIProfessor: Eduardo Luis Schneider
Elisandro Medeiros BarbozaFrancine Lunardi Bellotto
Milena Viegas
Novo Hamburgo, maio de 2012.
Definição das propriedades
Tanto a condutividade térmica quanto a difusividade térmica
são propriedades referentes ao transporte de calor nos mais
variados materiais (FERRANTE E WALTER, 2010).
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Segundo Lima, (2006, p. 9 e 10):
•Expressa a propriedade do material ser ou não bom condutor de calor,
medindo-se a quantidade exata de calor transferida;
•METAIS = excelentes condutores de calor (e também de frio).
Destaque para o alumínio, utilizado na fabricação de radiadores, bloco de
motores, torres de refrigeração, etc., todos com a função de dissipação de calor.
Radiador Torre de refrigeração
•PLÁSTICOS, MADEIRA E CERÂMICA = maus condutores.
•A condutividade térmica é de extrema importância para a área da
arquitetura. É essencial para o projeto de paredes, bem como no estudo
de partições isolantes ou condutoras de calor;
• Importante também no projeto de diferentes máquinas, fazendo
com que, por exemplo, ao se projetar o motor de um automóvel, o mesmo
seja isolado termicamente do espaço reservado aos passageiros;
•O cobre é freqüentemente substituído pelo alumínio se tratando
de condutividade térmica e elétrica. Isso se deve ao preço elevado do
cobre e ao fato do alumínio apresentar bom desempenho em tais
propriedades.
CONDUTIVIDADE TÉRMICA
De acordo com Ferrante e Walter (2010):
A difusividade térmica pode ser medida diretamente por meio
da mensuração da diminuição da temperatura, quando uma fonte de
calor, aplicada ao material, é desligada (ASHBY, 1999, tradução
nossa).
DIFUSIVIDADE TÉRMICA
DIFUSIVIDADE TÉRMICA
A difusividade indica como o calor se difunde através de um material.
Depende da velocidade de condução da energia térmica no interior do material e, por outro lado do calor especifico volumétrico, ou da quantidade de energia térmica necessária para aumentar a temperatura de determinado volume do material.
A difusividade é uma variável muito importante no controle térmico dos materiais, porque expressa quão rapidamente um corpo se ajusta por inteiro a temperatura de seu entorno. Materiais com baixa difusividade retardam a transferência de variações externas de temperaturas.
Sendo assim um material com baixa difusividade conduz muito mal, e é necessária muita energia térmica para aumentar a temperatura de determinado volume do material.
Ferrante e Walter (2010) explicam que:
• a condutividade térmica e a difusividade térmica são
diretamente proporcionais, porém possuem sentido físico distinto,
uma vez que a difusividade expressa a velocidade com que ocorre a
transferência de calor durante uma diferença de temperatura.
A geladeira doméstica pode ser usada como exemplo para o
entendimento da diferença entre tais propriedades.
CONDUTIVIDADE e DIFUSIVIDADE TÉRMICA
• BONS CONDUTORES DE CALOR: Alumínio, cobre e a prata;
• BONS ISOLANTES TÉRMICOS: Pyrex, a porcelana e a cerâmica de alumina;
(ASHBY; SHERCLIFF; CEBON, 2007, tradução nossa)
“A medida pela qual o calor é conduzido através de um sólido no estado
estacionário é mensurado pela condutividade térmica” (ASHBY, 1999,
p. 27, tradução nossa).
Estado Estacionário:• Segundo Niels Bohr, é quando não se ganha e nem perde energia
espontaneamente;
• Segundo ASHBY (1999, p.27) significa que a temperatura não muda com o tempo.
CONDUTIVIDADE e DIFUSIVIDADE TÉRMICA
Condutividade térmicaestá relacionada com a transferência de calor entre os materiais.
Difusidade térmicarefere-se à velocidade com que ocorre essa transferência.
CONDUTIVIDADE e DIFUSIVIDADE TÉRMICA
Definição das propriedades
Figura1: Condutividade térmica em metais, cerâmicas e polímerosFonte: FERRANTE E WALTER, 2010, p.28
Materiais com valores altos de condutividade térmica
Material W/m-k Btu/ft-h- oF
Grafita, Cerâmicas e Materiais Semicondutores
Diamante Natural 1450-4650 840-2700
Diamante Sintético 3150 1820
Grafita Extrudada 130-190 75-110
Silício 141 82
Metais e Ligas Metálicas
Metais Preciosos: Prata (comercialmente pura)
428 247
Metais Preciosos: Ouro (comercialmente puro)
315 182
Ligas de Cobre: C11000 (cobre eletrolítico tenaz)
388 224
Ligas de Alumínio: Liga 1100 (recozida)
222 128
Metais Refratários: Tungstênio (comercialmente puro)
155 89,4
Metais Refratários: Molibdênio (comercialmente puro)
142 82
Ligas Não-Ferrosas Diversas: Zinco (comercialmente puro)
108 62
Materiais FibrososCarbono (precursor PAN), Longitudinal Módulo Alto
70 40
Figura 2: Materiais com valores altos de condutividade térmicaFonte: FERRANTE E WALTER, 2010, adaptado do autor
Figura 3: Materiais com valores baixos de condutividade térmicaFonte: FERRANTE E WALTER, 2010, adaptado do autor
Materiais com valores baixos de condutividade térmica
Material W/m-k Btu/ft-h- oF
Polímeros
Polipropileno (PP) 0,12 0,069
Poliestireno (PS) 0,13 0,075
Poli (etileno tereftalato) (PET)0,15 0,087
Materiais Compósitos
Madeira:Pinheiro de Douglas (12% umidade)
Perpendicular ao grão0,14 0,08
Madeira: Carvalho Vermelho (12% umidade) Perpendicular ao grão)
0,18 0,11
Grafita, Cerâmicas e Materiais
Semicondutores
Concreto 1,25-1,75 0,72-1,0
Vidro, borossilicato (Pyrex) 1,4 0,81
Metais e Ligas Metálicas
Ligas de Titânio: Liga Ti-6A1-4V 6,7 3,9
Ligas Não-Ferrosas Diversas: Invar 10 5,8
Aços Inoxidáveis: Liga Inoxidável 304 (recozida)
16,2 9,4
EXEMPLO
Uma barra de cobre ao lado de uma fogueira, Somente um lado da barra esta em contato com o fogo, mas nem por isso somente essa extremidade será aquecida, vamos ter um aquecimento da extremidade, durante o aquecimento as moléculas mais próximas terão uma elevação de temperatura e com a agitação dessas moléculas , esse calor será transmitido de molécula para molécula até que se atinja o equilíbrio térmico.
DIFUSIVIDADE TÉRMICA
Difusividade térmica permite avaliar qualidade de materiais
Um aparelho com dois feixes de laser, desenvolvido no Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP com o objetivo inicial de estudar propriedades de polímeros luminescentes, foi aplicado com sucesso para medir a difusividade térmica de substâncias líquidas, podendo fornecer indicações sobre a qualidade das amostras analisadas. O equipamento, projetado pelo engenheiro químico Marcos Gugliotti, poderá ser utilizado para detectar adulterações em combustíveis e em estudos para a caracterização de novos materiais.
DIFUSIVIDADE TÉRMICA
“Para etanol puro, por exemplo, a difusividade térmica é 0,89×10-3 centímetros quadrados por segundo(cm2/s)”, explica Gugliotti.
“Se uma amostra de etanol apresentar um valor diferente, isso significa que houve contaminação”.
Produtos com baixa e alta condutividade térmica
Um exemplo no qual é fundamental a condutividade térmica, é o
caso do termostato do refrigerador. Segundo Cjdinfo (2012): “O
termostato é um interrruptor elétrico controlado por temperatura. Através
dele diversos equipamentos elétricos de aquecimento ou refrigeração
conseguem regular a sua temperatura de operação”.
Cjdinfo (2012) explica que os termostatos de refrigeradores:
(...) são constituídos normalmente por um Tubo Capilar (tubo muito fino, cujo diamêtro interno se assemelha a de um fio de cabelo) preenchido de gás. Uma das extremidades deste tubo fica encostada no ponto onde se quer medir a baixa temperatura (normalmente na placa fria do refrigerador). A outra extremidade termina num diafragma de metal, que se apóia em um balancim com mola para acionamento do contato. A variação de temperatura no tubo provoca a dilatação/contração do gás em seu interior, movimentando o diafragma e acionando o contato. A regulagem da distância do contato ou da pressão da mola permitirá a alteração da temperatura de abertura do contato.
Figura 4: Funcionamento do termostato do refrigeradorFonte: CJDINFO, 2012
Cjdinfo (2012) continua a explicar, tendo como referência a imagem acima:
(...) o compressor recebe a alimentação elétrica através do termostato. Com isso retira calor até alcançar a temperatura em que o termostato abra o circuito. O calor pára de ser retirado. Quando a temperatura subir um pouco, os contatos se fecham novamente, o compressor volta a retirar calor e o ciclo se reinicia. Desta forma consegue-se manter a temperatura dentro de uma faixa desejada.
Tampa plástica de garrafa térmica
Figura 5: Tampa garrafa térmica Figura 6: Garrafa térmica Fonte: http://www.mercadolivre.com.br Fonte: http://termaxloja.com.br
Exemplo de BAIXA condutividade térmica:
Podemos considerar a tampa plástica de uma garrafa térmica, que precisa ser isolante.
Além disso, ainda temos exemplos de baixo calor específico e baixo coeficiente de expansão térmica, pois a ela não pode armazenar calor e não pode sofrer grandes variações em suas dimensões quando resfriada
ou aquecida, o que causaria perda de calor ou dificuldade para abri-la. (SANTOS, 2005)
Cobertura plástica de um motor elétrico
Figura 7: Motor elétrico com cobertura plástica Fonte: http://www.r7.com
Exemplo de ALTA condutividade térmica: A cobertura plástica sobre a superfície sinuosa de um motor elétrico,
precisa ter ALTA condutividade térmica para permitir a transferência de calor, mas não pode expandir quando aquecida
se há pequenos espaços disponíveis. (SANTOS, 2005)
Produtos com alta condutividade térmica
Produtos com baixa condutividade térmica
Referências ASHBY, Michael F. Materials Selection in Mechanical Design. 2. ed. Department of Engineering, Cambridge University, England: Butterworth-Heinemann, 1999. 502 p ASHBY, Michael; SHERCLIFF, Hugh; CEBON, David. Materials: Engineering, Science, Processing and Design. 1. ed. University of Cambridge, UK: Butterworth-Heinemann, Elsevier Ltd, 2007. 514 p. LIMA, Marco Antonio Magalhães. Introdução aos Materiais e Processos para Designers. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda., 2006. 240 p. LESKO, Jim. Design industrial: materiais e processos de fabricação. São Paulo: Edgard Blücher, 2004. 272 p. FERRANTE, Maurizio; WALTER, Yuri. A Materialização da Idéia: Noções de Materiais para Design de Produto. Rio de Janeiro: Editora LTC (Grupo GEN), 2010. 212 p. INFOESCOLA. Navegando e Aprendendo. Disponível em <http://www.infoescola.com/quimica/postulados-de-bohr>. Acesso em: 08 mai. 2012. MERCADO LIVRE. Loja Virtual. Disponível em: < http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-229528593-tampa-para-garrafa-termica-stanley-rs41-ou-rs47-reposico-_JM > .Acesso em: 15 mai. 2012. R7. Notícias - Carros. Disponível em: < http://noticias.r7.com/carros/noticias/test-drive-bmw-x5-m-e-um-monstro-de-potencia-e-desempenho-20110722.html >Acesso em: 15 mai. 2012. SANTOS, Wilson N. dos. Aplicação da técnica de fio quente na determinação das propriedades térmicas de polímeros fundidos. Polímeros, Nov 2005, vol.15, no.4, p.289-295. ISSN 0104-1428 WIKIPEDIA. Disponível em >.pt.wikipedipedia.org/difusividade térmica. Acesso em 12 de maio 2012.
PROTOLAB. Disponível em >.www.protolab.com.br/difusividade.htm Acesso em 14 de maio 2012. OBRIGADO PELA ATENÇÃO!