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!