Propriedades Térmicas dos Materiais - Autenticação · Exemplo 2: Computadores Velocidades de...
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Exemplo 1: Space ShuttleQuais os critérios de seleção para os materais dafuselagem?
•Baixa condutividade térmica;
•Elevada “inércia” térmica, ou seja, um iputenergético grande deverá originar uma variação detemperatura tão pequena quanto possível;
•Elevada densidade (muito calor/pequeno volume);
•Elevada “refractariedade”, ou seja, devem fundir atemperatural tão altas quanto possível.
•Não devem expandir/contrair excessivamente comvariações de temperatura.
Soluções: silica, borossilicatos, cerâmicos,compósitos carbono/carbono
Porquê?
Propriedades Térmicas dos Materiais
Exemplo 2: Computadores
Velocidades de processamento maiores
Aumento da densidade de circuitos
Aumento da energia térmica do circuito(mais e-, logo mais calor)
Soluções:
materiais com maior condutividade térmica; convexão forçada...
Limitação ao aumento da densidade decircuitos: capacidade de extracção de calor.
Coeficiente de expansão térmica
Os materiais tendem a expandir com o aumento de temperaturadevido à assimetria da curva de potencial de ligação.
Pode-se assim definir um coeficiente de expansão térmica linear
!
"l
=
#LL0
#T
ou volúmico
!
"v
=
#VV0
#T
com
!
"v# 3."
l
Naturalmente que cada material tem o seupotencial de ligação característico e, logo, o seucoeficiente de expansão térmica característico
Coeficiente de expansão térmica:tensões de origem térmica, fissuração
O constrangimento à expansão/contracção térmica (interfaces,soldaduras, juntas etc. de materiais diferentes, pode originar acumulaçãode tensões e fissuração.
Variação do coeficiente de expansão térmica com T
Nota: observar as consequências dastransformações alotrópicas
Calor específico
O calor específico é a quantidade de energia necessária para elevar um grauuma unidade de massa de material. Matematicamente temos:
Cp é uma medida da “inércia térmica” do material, ou seja quanto menor é o calorespecífico mais rápidas são as mudanças de temperatura no material (por ex. ospermutadores de calor dever ser feitos em materiais de baixo Cp).
!
Cp ="Q
m"T
ou seja
!
"Q = Cpm."T
Exemplo de aplicação: quanto aqueceum diodo de Si numa placa de um PC ?
Vamos considerar um diodo de Si dopado, com um comprimento de 10 µm e uma áreatranversal de 5 µm2, que é atravessado durante 0.1 s por uma corrente de 10-5 A. Aresistividade dp Si é 1x10-3 ohm.m. Se toda a potência dissipada por efeito de Joulecontribuir para o aumento da temperatura, qual será esse aumento?
!
P = Ri2Efeito de Joule: , logo:
!
"Q = Pt = Ri2t
como:
!
"Q = Cpm."T , segue-se:
!
"T ="Q
Cpm=Ri
2t
Cpm=
Ri2t
Cp#V
!
R = resistividade.l
A=10
"3.10
"6
5.10"12
= 2.10"3#
A densidade do Si é 2.33 g/cm3, enquanto que o seu Cp é 702 J/(Kg.K).
Substituindo na eq. (1) obtemos ΔT=245 ºC !! (convexão forçada !!!)
Mecanismos de condução térmica e condutividade térmica
!
J = KdT
dx
Porque é que as panelas sãometálicas e as pegas são empolímero ou madeira?
As leis da difusão de calor são formalmentesemelhantes às leis de difusão de massa.K é a condutividade térmica do material.Tem dois componentes (dois mecanismos):Vibração da rede (fonões);Movimento de electrões:
J é o fluxo de calor.