Questionário referente ao capítulo 5 do livro de Ciência dos Materiais

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 A_mB_nX_p, 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.