1- Elementos de liga influem
pouco no módulo de elasticidade. Entretanto, as resistências mecânicas são
significativamente afetadas. Por quê?
O
módulo de elasticidade está mais relacionado com a matriz da liga, que
fornecerá para a liga as principais características em relação ao alongamento,
as resistências mecânicas no entanto são afetadas devido a presença de um
segundo elemento que altera as resistências mecânicas.
2- Porque as ligas de metais tem
maior resistência mecânica do que os metais puros?
As
causas do aumento da resistência mecânica são:
-
O movimento das discordâncias é dificultado em relação ao elemento puro;
-
quanto maior a diferença entre o tamanho dos átomos e a quantidade maior será a
modificação em relação ao elemento puro;
-
A presença de um elemento intersticial ou substitucional reduz a mobilidade de
movimento das discordâncias;
-
Um elemento substitucional quando maior compensa a região tracionada, quando
menor compensa a região comprimida;
-
Para deformar um material com segundo elemento necessita-se de maior energia,
levando ao aumento da resistência ao escoamento.
3- Qual a dificuldade de se
empregar deformação plástica para obter-se um aumento de resistência mecânica
para metais como chumbo, zinco e estanho?
Por
que a temperatura de recristalização é baixa, para o chumbo e estanho -4°C, para o zinco 10° , isto faz com que
o material retorne ao seu estado original nesta temperatura (temperatura de
recristalização).
4- Qual o efeito da temperatura
sobre o módulo de elasticidade e sobre a resistência mecânica de um metal?
Em
metais o módulo de elasticidade e a resistência mecânica diminuem com o aumento
da temperatura.
5- Qual a diferença entre tensão
de cisalhamento crítica e tensão de cisalhamento efetiva?
A
tensão de cisalhamento crítica é a tensão mínima necessária para iniciar o
escorregamento dos planos dentro de um monocristal, que tem seu início de
escorregamento para a direção de orientação que está mais favorável, as tensões
de cisalhamento efetivas são as tensões paralelas e perpendiculares à direção
de uma tensão por tração ou compressão, as tensões de cisalhamento efetivas não
dependem apenas das tensões aplicadas, mas também da orientação do plano de
escorregamento e a direção dentro do mesmo plano.
6- Porque metais com tamanho de
grão pequeno possuem á temperatura ambiente maior resistência mecânica do que
se possuíssem grãos maiores?
Em
geral, quanto maior o tamanho do grão mais mole é o material e menor é a sua
resistência, os grãos possuem orientações cristalográficas diferentes, e um
contorno de grão comum, isto faz com que as discordâncias fiquem impedidas para
passar pelo grão e ingressar entre outro grão, ou seja, cada contorno do grão é
uma barreira para movimentação das discordâncias, uma das razões da maior
resistência em materiais com grãos menores é o fato que o número de contornos
de grão é maior em materiais com grãos menores, portanto um tamanho de grão
pequeno envolve a diminuição da movimentação das discordâncias e em
consequência disto ocorre o aumento da resistência mecânica do material.
7- Porque metais com tamanho de grão
grande possuem à elevadas temperaturas maior resistência mecânica do que se possuíssem
grãos pequenos?
Quando
submetidos à elevadas temperaturas os metais começam a apresentam fenômenos de
difusão dentro de suas próprias estruturas, estes fenômenos são de fácil
ocorrência quando os grãos são pequenos, a ocorrência elimina as barreiras que
impedem a movimentação da discordância, portanto ocorre uma redução da
resistência mecânica em materiais com grãos pequenos, em grãos maiores é
necessário maior energia para que ocorra este fenômeno, o que torna um material
com grão maior mais resistente mecanicamente em relação a um material com grão
menor.
8- Os grãos aumentam seu tamanho médio
a altas temperaturas? Porque não diminuem a baixas temperaturas?
Uma
energia está associada aos contornos de grãos, o crescimento dos grãos ocorre
através da migração de contornos de grão, nem todo o grão aumenta de tamanho,
os grãos maiores crescem com a diminuição dos menores, desta forma o tamanho
médio dos grãos aumenta, para que ocorra esta modificação nos contornos de
grão, que é necessária para o crescimento do grão é necessário que o material
seja deixado em uma temperatura elevada, isto é, o início do crescimento do
grão é uma relação entre o tempo e a temperatura de exposição, e só ocorre
acima da temperatura de recristalização, os grãos não diminuem com baixas
temperaturas porque o material já está recristaliazado.
9- Explique como um átomo de um
elemento liga bloqueia uma discordância em movimento.
Os
átomos da liga impõem normalmente deformações na rede cristalina sobre os
átomos vizinhos, o resultado disto são interações do campo de deformação da
rede cristalina entre as discordâncias e os átomos da liga acrescentada, em
consequência disto o movimento da discordância e restringido, a resistência ao
escorregamento é maior quando os átomos da liga estão presentes, pois a
deformação global da rede cristalina aumenta se uma discordância for separada.
10- Explique os diferentes estágios
de fluência.
Fluência
é a deformação plástica sofrida ao longo do tempo por um material que é
submetido a uma carga ou tensão constante, em uma análise de um gráfico de
fluência em função do tempo verificamos três estágios, no primeiro estágio
acorre um alongamento inicial instantâneo, neste estágio a taxa de fluência
diminui ao longo do tempo, no segundo estágio ocorre uma inclinação constante,
a tensão varia proporcionalmente em função do tempo, em consequência de um
equilíbrio entre o endurecimento do material e a capacidade de suportar
deformações, e no terceiro estágio a taxa de fluência aumenta rapidamente com o
tempo, até a ruptura do corpo de prova, nesta etapa a deformação do material é
tal que já atingiu o nível microscópio.
11- O que e recuperação, recristalização
e crescimento de grão? Descreva esses fenômenos.
A
deformação plástica de uma amostra metálica policristalina a temperaturas
baixas (em relação a sua temperatura de fusão) produz alterações microestruturais
e mudanças nas suas propriedades, uma fração da energia gasta nesta deformação
é armazenada no metal na forma de energia de deformação, que está associada as
zonas de tração, compressão e cisalhamento ao redor das discordâncias recém
criadas, estas propriedades podem se reverter mediante um tratamento térmico,
voltando ao seu estado anterior ao trabalho a frio, a restauração ocorrida com
este tratamento é chamada de recuperação e recristalização, que pode ser
seguida de um crescimento de grão.
A
recuperação consiste na liberação da energia interna armazenada após uma
deformação, esta liberação de energia ocorre pelo movimento das discordâncias.
A
recristalização envolve o crescimento de novos grãos equiaxiais sem a
deformação após uma sequencia deformação-recuperação, os novos grãos são
estruturas com baixo número de discordâncias.
12- Qual a distinção entre
trabalho a frio e trabalho a quente para um metal. Para o tungstênio, por
exemplo, qual seria a temperatura limite entre um e outro?
A
distinção entre trabalho a frio e trabalho à quente para um metal é dada pelo
limite da temperatura de recristalização, define-se a temperatura de
recristalização como a temperatura na qual a recristalização atinge o seu
término em exatamente 1 hora, para o tungstênio a temperatura de
recristalização é 1200°C, acima desta temperatura ocorre o trabalho a quente,
abaixo desta temperatura ocorre o trabalho à frio.
13- Descreva a fratura dúctil e a
fratura frágil.
Dúctil
e frágil são termos relativos, a ductilidade pode ser quantificada em termos do
alongamento percentual, e da redução percentual da área, a fratura dúctil é
caracterizada por uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca
que está avançando, na fratura dúctil o processo ocorre de maneira
relativamente lenta a medida que o comprimento da trinca se estende, na fartura
frágil as trincas podem se espalhar de maneira extremamente rápida, com o
acompanhamento de muito pouca deformação plástica, na fratura frágil as trincas
são consideradas instáveis, e a sua propagação uma vez iniciada, irá continuar
a crescer espontaneamente sem o aumento da tensão que está sendo aplicada.
14- Qual a importância da
temperatura de transição. Que estruturas estão mais susceptíveis a transformação
dúctil-frágil?
A
transição de dúctil para frágil está relacionada com a dependência da absorção
da energia de impacto que é medida em relação á temperatura, para muitas ligas
existe uma faixa de temperaturas ao longo da qual ocorre esta transição, abaixo
da temperatura de transição dúctil-frágil o valor de energia de impacto
absorvida é constante, portanto a fratura é do tipo frágil, acima é uma fratura
do tipo ductil, este comportamento é encontrado tipicamente em aços com baixa
resistência que possuem uma estrutura cristalina CCC, para estes aços a
temperatura de transição é sensível tanto a composição da liga como a sua
microestrutura.
15- Explique porque um metal
monocristalino e mais macio e ductil que um metal policristalino?
Metais
monocristalino não possuem variações na geometria do seu arranjo cristalino que
impeçam o movimento das discordâncias, metais policristalinos são mais
resistentes do que os equivalentes monocristalinos, isto significa que são
necessárias maiores tensões para dar início ao escorregamento e ao consequente
escoamento, isto ocorre também em função das restrições geométricas que são
imposta sobre os grãos durante a deformação, esta resistência do material
policristalino o torna menos macio e dúctil quando comparado com um equivalente
monocristalino.
16- Qual a possível relação entre
resistência mecânica a tração de um metal e o resultado de dureza Brinell? Por
quê?
Tanto
o limite de resistência à tração como a dureza são indicadores da resistência
de um metal á deformações plásticas consequentemente são proporcionais, o
aumento de uma das propriedades resulta no aumento proporcional da outra.
17- Qual a possível relação entre
resistência mecânica e limite a fadiga de um metal? Por quê?
Quanto
maior a resistência mecânica de um material, maiores serão as tensões por ele
suportadas, para muitos aços o limite de resistência à fadiga varia de 35 a 60%
do limite de resistência à tração, em consequência disto quanto maior a
resistência á tração maior será o limite de resistência à fadiga.
18- Em que etapas podem-se
dividir o processo de fadiga de um material metálico?
O
processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas, a
primeira etapa é iniciação da trinca, onde uma pequena trinca se forma em algum
ponto de alta concentração de tensões após a aplicação de um determinado número
de ciclos de carregamentos, nesta fase a taxa de crescimento da trinca é baixa,
a segunda etapa é a propagação da trinca, esta propagação é bem definida e com
velocidade elevada, nesta etapa surgem estrias com o avanço da trinca, nesta
fase o taxa de crescimento da trinca é elevada, e na terceira etapa ocorre a
falha final, que ocorre muito rapidamente depois que a trinca que está
avançando atingiu um tamanho crítico e no material não consegue suportar mais a
carga aplicada.
19- A presença de discordância
contribui positivamente ou negativamente para a deformação plástica de um metal?
A
presença das discordâncias aumenta a resistência à deformação plástica, durante
a movimentação as discordâncias se multiplicam, a existência de muitas
discordâncias impede o movimento de outras (encruamento), então podemos dizer
que a presença de discordâncias contribui negativamente para a deformação
plástica de um metal, a resistência mecânica aumenta com a presença das discordâncias
e a capacidade de deformação plástica diminui.
20- Explique a Figura 1 abaixo.
O
material vai perdendo a ductibilidade em função do encruamento gerado pelo
trabalho á frio, inicialmente o material é mais dúctil, apresentando maior
capacidade de deformação plástica, á medida que o material vai sendo submetido
ao trabalho á frio ou endurecimento por trabalho, a sua capacidade de suportar
maiores tensões aumenta, devido à movimentação e multiplicação das
discordâncias, em consequência a isto ocorre um aumento de resistência e
redução da ductibilidade.
21- Relacione a estrutura e as
propriedades mecânicas apresentadas na Figura 2.
O gráfico da figura dois ilustra a
resistência à tração e a ductibilidade em função do aumento do tamanho do grão e
aumento da temperatura de uma liga de latão, o gráfico abaixo representa a
recuperação por recristalização e o aumento do grão da liga em função do
aumento de temperatura, inicialmente os grãos foram submetidos ao trabalho á
frio, ocorrendo a diminuição dos grãos e o aumento das discordâncias, nesta
etapa o material consegue suportar à uma deformação tensão maior com menor
deformação, a medida que a temperatura aumenta ocorre a recristalização do
material, nesta etapa o material se reorganiza e forma novos grãos, ocorre
também á medida que a temperatura aumenta o aumento do grão, com a
reorganização e aumento do tamanho médio do grão o material tende perder
resistência à tração e aumentar sua ductibilidade.
22- O cloreto de sódio e isolante
no estado sólido. Entretanto no estado líquido, ele e um bom condutor.
Justifique.
Quando
O cloreto de sódio está em estado sólido, neste estado os átomos formam um
arranjo cristalino, e não existem elétrons livres, a forças da ligação iônica
mantém o material estável, portanto neste estado não há condutibilidade
elétrica, no estado líquido o cloreto de sódio provavelmente estará dissociado
em uma solução, por exemplo, em meio aquoso, neste estado é acrescentado
mobilidade aos íons dentro do solvente, o que faz com que a solução conduza
eletricidade.
23- As condutividades elétricas
da maioria dos metais decrescem gradualmente com a temperatura, mas a condutividade
intrínseca dos semicondutores sempre cresce rapidamente com a temperatura.
Justifique a diferença.
A
queda da condutibilidade elétrica dos metais com o aumento da temperatura se
deve ao aumento das vibrações térmicas e de outras irregularidades de rede (por
exemplo, as lacunas), que servem como centros de espalhamento de elétrons
aumentando a resistividade do material, enquanto que os materiais semicondutores
o aumento da temperatura resulta em um aumento da na energia térmica que está
disponível para a excitação dos elétrons , desta forma mais elétrons são
promovidos para a banda de condução, o que dá origem a maior condutividade
elétrica.
24- Por que o efeito da
temperatura na condutividade elétrica é, em geral, mais acentuado em um
semicondutor do que em um isolante?
O
efeito da temperatura em materiais semicondutores e isolantes pode ser relacionado
ao modelo de ligação atômica, para os materiais isolantes elétricos a ligação
interatômica é iônica ou fortemente covalente, desta forma os elétrons de
valência se encontram fortemente ligados, desta forma estes elétrons não estão
livres para conduzir, a ligação dos semicondutores é covalente (ou
predominantemente covalente) e relativamente fraca, neste caso os elétrons de
valência não estão firmemente ligados aos átomos, consequentemente estes
elétrons são mais facilmente removidos por excitação térmica do que os elétrons
dos materiais isolantes.
25- A adição de pequenas
quantidades (menos de um ppm) de arsênio no germânio aumenta drasticamente sua condutividade
elétrica (semicondutor do tipo n), enquanto que a adição de pequenas
quantidades (menos de um ppm) de gálio no germânio também aumenta drasticamente
sua condutividade elétrica (semicondutor do tipo p). Explique estes dois
comportamentos.
O
átomo de arsênio corresponde a um semicondutor tipo “n”, com cinco elétrons de
valência, ao se incorporado em uma matriz de germânio só quatro de seus
elétrons formarão ligações com os elétrons vizinhos, deixando um livre com energia de ligação relativamente pequena,
desta forma ele é removido com facilidade do átomo de impureza, se tornando um
elétron livre ou de condução, no caso Ga dentro do Ge, geram-se semicondutores
tipo “p”, onde, em lugar de um elétron livre, falta um elétron dentro da
ligação e forma-se um buraco que se encontra fracamente ligado ao átomo da
impureza, o elétron e o buraco trocam de posições, quando em movimento o buraco
é considerado em um estado excitado, a movimentação sofrida pelo buraco
ocasiona a condução de eletricidade dentro deste tipo de semicondutores.
26- Por que a deformação plástica
de um metal ou liga aumenta sua resistividade elétrica e o posterior
recozimento a diminui?
A
deformação plástica aumenta a resistividade elétrica dos materiais em consequência
do maior número de discordâncias que causam o espalhamento dos elétrons, quando
o material é recozido ocorre uma recristalização, em consequência da
recristalização ocorre à redução das discordâncias e defeitos cristalinos,
reduzindo o espalhamento e aumentando a mobilidade dos elétrons, isto reduz a
resistividade elétrica.
27- Por que pequenas adições de
soluto aumentam a condutividade elétrica do germânio e diminuem a do cobre?
No
germânio existem buracos dentro da matriz que poderão movimentar-se com a
presença de um soluto, aumentando a condutividade elétrica, no cobre quando
adicionado um soluto vai ocasionar em um excesso de elétrons livres, que irão
impedir a sua própria movimentação, deixando a transmissão de energia mais
lenta e aumentando a resistividade elétrica.
28- Pode um condutor metálico
apresentar os fenômenos de ferroeletricidade e/ou piezoeletricidade?
A
ferroeletricidade e a piezoeletricidade são propriedades elétricas características de materiais com geometria de
molécula assimétrica e ligações iônicas, os materiais metálicos apresentam uma
estrutura uniforme e mesma carga para cada átomo propriedades opostas às
necessárias para os fenômenos ferroeletricidade e piezoeletricidade.
29- Qual a diferença entre condução
eletrônica e condução iônica?
Uma
corrente elétrica resulta do movimento de partículas eletricamente carregadas
em resposta às forças que atuam sobre elas á partir de um campo elétrico aplicado
externamente, na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem á
partir do escoamento de elétrons, que forma a condução eletrônica, condução
iônica é quando é possível um movimento líquido de íons carregados produzindo
uma corrente elétrica.
30- Em termos de bandas de energia
eletrônica discuta a razão para a diferença na condutividade elétrica entre metais,
semicondutores e isolantes.
A
diferença de condutividade elétrica dos metais, semicondutores e isolantes está
relacionada com o espaçamento entre as bandas de energia, os metais apresentam
elétrons livres na banda de valência e na banda de condução, neste caso pode-se
dizer que nos metais o espaçamento entre as bandas está preenchido com elétrons
livres, alguns metais apresentam superposição das bandas de valência e de
condução. Os semicondutores apresentam a banda de valência separada da banda de
condução por um espaçamento entre as bandas, os elétrons da banda de valência
só precisam de uma quantidade baixa de energia para se promoverem para a banda
de condução. No caso dos isolantes os espaçamentos entre as bandas são
relativamente grandes, para promover um elétron da banda de valência até a
banda de condução é preciso fornecer uma quantidade alta de energia.
31- Quais são as principais diferenças
e similaridades entre um material:
(a)
Diamagnético e paramagnético;
Entre
as similaridades dos materiais diamagnéticos e paramagnéticos está a
característica de que os dois materiais são magnéticos , e sua magnetização
ocorro somente com a presença de um campo magnético, a principal diferença é de
que os materiais diamagnéticos, quando submetidos ao campo, geram um momento
magnético muito pequeno em direção oposta ao campo, os paramagnéticos geram
momentos magnéticos na mesma direção do campo.
(b)
Ferromagnético e ferrimagnético?
Os
materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos apresentam praticamente o mesmo
comportamento com a presença de dipolos magnéticos permanentes em ausência de
um campo magnético externo, a diferença entre eles é que os ferromagnéticos,
por serem metais apresentam os momentos magnéticos determinados pelos elétrons,
enquanto que os materiais ferrimagnéticos, que são geralmente óxidos metálicos,
têm momentos magnéticos determinados pelas cargas dos íons que estão presentes
na molécula, cujos spins não ficam cancelados por completo.
32- O que e material magnético
mole?
Um
material magnético mole é aquele que apresenta perdas de energia baixas, um
material magnético mole deve possuir uma elevada permeabilidade inicial, além
de uma baixa coercividade, este material pode atingir a sua magnetização de
saturação com a aplicação de um campo relativamente pequeno, isto permite que
este material possa ser magnetizado e desmagnetizado com facilidade com baixas
perdas de energia por histerese.
33- O que e magnetico duro?
Um
material magnético duro retém o magnetismo mesmo na ausência de um campo
magnético externo, um magnético duro possui remanência, coercividade, e
densidade do fluxo de saturação elevadas, assim como baixa permeabilidade
inicial e grandes perdas de energia por histerese, estes materiais mesmo quando
submetidos a um campo magnético externo conseguem induzir um campo magnético
grande.
34- Desenhe um ciclo de histerese
para um material magnético mole (por exemplo, ferro) recozido. Como a deformação
plástica a frio altera o ciclo de
histerese deste material?
A deformação plástica á frio reduz o tamanho
do grão e produzem discordâncias nos metais, os defeitos estruturais tendem a
restringir o movimento das paredes do domínio, e desta forma aumentar a
coercividade, a presença de defeitos estruturais faz com que seja necessário um
campo magnético muito forte para magnetizar o material.
35- Explique porque materiais ferromagnético
podem ser permanentemente magnetizados, enquanto materiais paramagnéticos não
podem.
Os
materiais paramagnéticos não podem ser magnetizados permanentemente porque eles
perdem a orientação ordenada dos spins quando elimina-se o campo magnético ao
que estão submetidos, enquanto que os materiais ferromagnéticos ao serem
submetidos a campos magnéticoa muito fortes podem mudar a orientação dos spins
magnéticos, e com a energia fornecida podem manter a nova orientação adquirida.
36- Qual e a diferença entre a
estrutura cristalina espinélio e espinélio inverso?
A
estrutura do espinélio é do tipo AmBnXp, nesta
estrutura os íons O -2 formam um arranjo CFC enquanto os íons de Fe+2
enchem os sítios octaédricos e os Fe+3 localizam-se nas
posições tetraédricas, as estruturas de espinélio inverso possuem simetria
cúbica similar à do espinélio, nesta estrutura os cátions Fe+2
ocupam as posições tetraédricas, enquento que os cátions Fe+3 ocupam
as octaédricas, as diferentes posições do Fe+2 são responsáveis pela
magnetização do material.
37- Explique brevemente porque a
magnitude de saturação de magnetização diminui com o aumento da temperatura
para um material ferromagnético e porque o comportamento ferromagnético cessa
acima da temperatura de Curie.
A
magnetização de saturação é máxima na temperatura de 0 K, nesta condição as
vibrações térmicas são mínimas, com o aumento da temperatura, a magnetização de
saturação diminui gradualmente, então cai abruptamente para zero, esta
temperatura é conhecida como temperatura Curie, as alterações nos momentos
magnéticos são geradas pelas vibrações em consequência do aumento de
temperatura reduzindo gradativamente magnetização de saturação.
38- Em um dia frio, as partes metálicas
de um carro causam maior sensação de frio que as partes de plástico, mesmo
estando na mesma temperatura. Justifique.
A
diferença está na condutividade térmica dos materiais, o metal apresenta maior
condutividade térmica que os plásticos, isto faz com que este material libere a
energia mais rapidamente para o ambiente, no plástico existem diferentes condutividades,
que perdem a sua energia interna a uma taxa menor e conseguem manter energia
por mais tempo, o metal pode apresentar vibrações fortes devido á sua estrutura
cristalina, enquanto que os plásticos apresentam uma estrutura amorfa, por onde
as vibrações tem mais impedimentos para se transmitirem.
39- Justifique as afirmativas a
seguir:
(a)
a condutividade térmica de um poli cristal e ligeiramente menor que a de um
monocristal (do mesmo material).
O
policristal apresenta diferenças nos arranjos cristalinos que dificultam a
passagem das vibrações da rede, dificultando a transferência de energia e
reduzindo a condutividade térmica, em um monocristal não existem impedimentos
para a condutividade, às vibrações da rede são uniformes o que o torna mais
condutivo termicamente.
(b)
uma cerâmica cristalina e geralmente melhor condutora térmica que uma
cerâmica
amorfa.
Dentro
de uma estrutura amorfa as vibrações encontram um caminho impedido para se
transferirem, portanto a energia fica dentro da estrutura, neste caso a
condução térmica é pouco eficiente e ocorre a uma taxa pequena, em um material
cristalino a rede oferece um caminho adequado para transferências das vibrações
ao longo da rede facilitando a condutividade.
40- Defina nível de Fermi.
O
nível de Fermi é relacionado a energia que corresponde ao estado de preenchimento
mais elevado de elétrons a 0 K nos materiais sólidos.
41- A condutividade elétrica do alumínio
e cerca de 20 ordens de grandeza maior que a da alumina. Por outro lado, a
condutividade térmica do alumínio e apenas 8 vezes maior que a da alumina.
Justifique.
A
alumina é um material que se encontra em equilíbrio energético em consequência da
ligação iônica, a molécula é eletricamente neutra e não possui cargas que
possam ser movimentadas, o alumínio apresenta um número muito maior de elétrons
livres na estrutura cristalina, que se movimentam para conduzir eletricidade. Porém
a alumina apresenta dois tipos diferentes de átomos que fazem com que a
transferência de energia por vibrações seja maior, isto aumenta a condutividade
térmica da alumina, o alumínio apresenta elétrons livres e vibrações como
formas para transferir energia térmica, a diferença entre o alumínio e seu
óxido e menor se for comparada com a diferença de condutividade elétrica entre
ambos.
42- A condutividade térmica da
alumina é maior que a condutividade térmica de um aço inoxidável austenítico do
tipo 316 (Fe-19%Cr-11%Ni-2,5%Mo). Como você justifica o fato de um material cerâmico
ser melhor condutor de calor que um material metálico?
Para
metais a presença de elementos de liga e/ou impurezas dentro do arranjo
cristalino diminui a condutividade térmica, pois eles criam obstáculos para o
caminho de movimentação dos elétrons e assim dificultam a transferência de
energia reduzindo a condutividade , a alumina possui uma estrutura cristalina
bem definida e dentro dala o transporte de energia é feito via vibrações de rede, neste caso
resulta em um material mais eficiente na movimentação eletrônica, o que resulta
em uma maior condutividade, quando comparado ao aço do tipo 316.
43- Explique brevemente a expansão
térmica usando a curva do potencial de energia versus a distância interatômica.
A
dilatação térmica dos sólidos tem origem na variação assimétrica da energia de
ligação com a distância interatômica, com o aquecimento os átomos aumentam a frequência
e amplitude de vibração, isto faz com que a distância média entre os átomos
aumente ocasionando na expansão térmica.
44- Compare o efeito da
temperatura sobre a condutividade térmica e elétrica para materiais cerâmicos e
metálicos.
Para
os metais, a condutividade térmica aumenta com a temperatura, pois o transporte
de energia térmica através de vibrações da rede cristalina e a movimentação de
elétrons está facilitado, entretanto a condutividade elétrica diminui com o
aumento da temperatura porque os elétrons movimentam-se em excesso, com isto
tomam caminhos por onde perdem energia e fazem ineficiente a condução de
eletricidade, o efeito da temperatura e a relação das condutividades térmica e elétrica
para os metais são dados pela lei de Wiedemann Franz:
L=k/σT
Onde
L é a constante de Wiedemann Franz e que varia segundo o metal, k é a
condutividade térmica, σ a condutividade elétrica e T a
temperatura.
A
condutividade térmica dos cerâmicos é determinada pela vibração do arranjo
cristalino; a condutividade elétrica em geral é baixa devido a pouca
movimentação de elétrons, na maioria dos cerâmicos sem poros a condutividade
diminui com a temperatura, enquanto ela aumenta para materiais porosos. No
relacionamento com a condutividade elétrica dos materiais cerâmicos, eles
apresentam condução predominantemente iônica; portanto devem se formar defeitos
como vacâncias e deslocamentos de íons com o aumento da temperatura, com isto o
aumento de temperatura aumenta também a condutividade térmica.
45- Para cada um dos pares de
material apresentado decida qual deles tem a maior condutividade térmica. Justifique
sua resposta.
(a)
Prata pura; prata esterlina (92,5 Ag e 7,5 Cu % em peso);
Neste
caso a prata pura apresenta maior condutividade térmica por não possuir átomos
de impurezas que possam espalhar elétrons e impedir uma transferência de
energia.
(b)
Silica fundida; sílica policristalina;
A
sílica policristalina apresenta maior condutividade térmica, porque contém
menor número de defeitos que a sílica fundida, o material fundido pode
apresentar mais de um tipo de defeito, como poros, os quais se constituem como uma
resistência térmica, reduzindo a condutividade térmica.
46- A pele humana e relativamente
insensível a luz visível, mas a radiação ultravioleta pode ser-lhe bastante destrutiva.
Isto tem alguma relação com a energia do fóton? Justifique.
O
comprimento de onda da radiação ultravioleta é menor que o da luz visível,
portanto a radiação UV tem maior energia, este valor de energia da luz UV é
suficiente para romper as cadeias de carbono que conformam a pele humana, a
exposição a este tipo de radiação causa queimaduras e outros tipos de danos ao
curto e longo período de tempo.
47- Quais as principais diferenças
e similaridades entre um fóton e um fônon?
Fóton
é o pacote de energia da luz, fônon é o quanto de energia térmica é transmitida
por vibrações, o comportamento do fóton é do tipo eletromagnético e do fônon é mecânico,
a similaridade é que a energia deles depende dos seus comprimentos de onda.
48- Quando um corpo e aquecido a
uma temperatura muito alta ele se torna luminoso. À medida que a temperatura aumenta
a sua cor aparente muda de vermelho para amarelo e finalmente para azul.
Explique.
Quando
um corpo absorve energia, os elétrons que fazem parte de sua estrutura
promovem-se de estado. A energia absorvida por cada elétron corresponde a um
comprimento de onda da sua cor.
49
O silício não é transparente a luz visível, mas é transparente a radiação
infravermelha. Justifique
Quando
um feixe de radiação infravermelha é incidido em uma chapa de silício, este
feixe vai atravessar totalmente a chapa, portanto o silício é transparente para
esta radiação, isto se deve a estrutura cristalina tipo diamante do silício que
forma uma rede com muito poucos defeitos que interfeririam no caminho do feixe.
No caso de um feixe de luz visível quando incide no silício algumas faixas de
energia são absorvidas, como resultado tem-se um material opaco.
50
Um cristal de KCl é irradiado com raios ᵞ
e adquire a cor purpura. O
cristal é colocado em um dessecador na temperatura ambiente. Com o passar do
tempo, o cristal vai perdendo a cor. Justifique este comportamento.
Quando
o cristal de KCl é irradiado com raios ү, aumenta a sua temperatura em consequência
da absorção de energia para o comprimento de onda da cor púrpura, ao voltar a
temperatura ambiente, a energia absorvida é liberada e deixa de transmitir a
maior parte da luz visível, perdendo a cor.
51- Por que alguns materiais
transparentes são incolores e outros são coloridos? Por que a adição de zinco
muda a cor do cobre?
Um
material transparente é incolor porque permite a passagem de toda a luz do espectro
visível. Quando ele é colorido ele pode absorver algumas longitudes de onda do
espectro e transmitir outras, este fenômeno é conhecido como adsorção seletiva.
Ao adicionar o zinco no cobre, muda-se as longitudes da onda que são
correspondentes à energia que a liga pode absorver, em comparação com o cobre
puro.
