A Condutividade Térmica

Condutividade Térmica

A condução térmica é o fenômeno onde a energia é transportada na forma de calor das regiões de maior temperatura para as regiões de menor temperatura [3]. A capacidade de transferir calor é conhecida como condutividade térmica, esta propriedade estabelece os níveis de temperatura de trabalho de um material e pode ser definida pela expressão 1.6.1.

                                      [pic 1]                                                            (1)

onde q é o fluxo de calor pelo tempo e pela área, k é a condutividade térmica e [pic 2] é o gradiente de temperatura ao longo do meio condutor.

O transporte de calor em materiais sólidos ocorre através das ondas de vibração do retículo (fônons) e através dos elétrons livres na camada de condução. A condutividade total se da pela soma dessas duas contribuições.

Nos materiais poliméricos o transporte de calor é realizado pela vibração e rotação das moléculas da cadeia. O valor da condutividade térmica em um polímero é dado em função do grau de cristalinidade. Devido à vibração coordenada mais efetiva das cadeias moleculares para o estado cristalino, um polímero com uma estrutura altamente cristalina e ordenada possuirá uma maior condutividade do que o material amorfo equivalente [5].

A condutividade térmica de polímeros é bem baixa, quando comparada com a condutividade de materiais metálicos, e de alguns materiais cerâmicos. Do ponto de vista de processamento, a baixa condutividade térmica é necessária quando pretende minimizar as perdas de calor, mas cria alguns problemas reais, tais como, limitação da taxa a qual o polímero pode ser aquecido e plastificado. No resfriamento, a baixa condutividade pode provocar não uniformidade.

A condutividade térmica de um polímero pode ser aumentada através da adição de cargas. A estrutura formada com essas partículas faz com que o espalhamento dos fônons seja menor e consequentemente aumenta a condutividade térmica do material polimérico [11]. As resinas epóxi selecionadas para este trabalho foram Stycast 1266, Stycast 2850 e Epon 828, juntamente com os respectivos endurecedores a base de amina. As cargas minerais incorporadas nas resinas foram nitreto de silício e nitreto de alumínio.

Resinas poliméricas com a adição de nitreto de alumínio a 4,2K possuem uma condutividade menor do que a própria resina à temperatura ambiente como mostra a figura 1.6.1, porém a condutividade térmica a 77K é bem superior do que a 300K.

 

[pic 3]

Fig.1.6.1 - Condutividade térmica de uma matriz polimérica com nitreto de alumínio como carga [14].

Porem à medida que diminui a temperatura, as moléculas de um polímero tendem a se aproximar cada vez mais, permitindo um aumento da condutividade de calor ao invés da diminuição como ocorre com a adição de nitreto de alumínio na matriz polimérica.  

Hoje são conhecidos vários métodos para a determinação e estudo das propriedades térmicas de materiais. Entre eles estão os chamados métodos transientes ou não estacionários.

Os métodos transientes de troca de calor são aqueles onde a propriedade térmica é medida segundo um regime transiente de troca de calor.

1.7 - Método do fio quente

O método do fio quente é um método absoluto, direto e não estacionário, sendo considerado como uma técnica precisa na determinação da condutividade térmica de materiais cerâmicos refratários e poliméricos.

Santos e Cintra Filho [10] utilizaram o método do fio quente na determinação das propriedades térmicas de alguns polímeros. É um método com o qual é possível determinar simultaneamente a condutividade térmica, o calor específico, e a difusividade térmica do material. Nesta técnica, as amostras são preparadas em forma de paralelepípedos retangulares com as dimensões aproximadas de (230x80x30)mm. Entretanto, por razões tecnológicas, ou econômicas, ou às vezes por ambas, nem sempre é possível à preparação de amostras com as dimensões requeridas por essa técnica experimental, sendo então estas medidas substituídas neste trabalho por placas com dimensões menores ou por cilindros.

O cálculo da condutividade térmica de um material é muito difícil, e requer alta precisão na determinação de fatores necessários para o cálculo, o método ideal de medida da condutividade térmica seria aquele capaz de medir essa propriedade segundo um gradiente de temperatura zero, na técnica do fio quente, o gradiente de temperatura através da amostra é muito baixo.

Em materiais condutores elétricos, o fio quente e as amostras devem ser isolados eletricamente para a utilização desta técnica, já em materiais de alta condutividade térmica o tempo de registro do transiente térmico torna-se bastante pequeno assim é necessário que as dimensões da amostra sejam suficientemente grandes, o que inviabiliza o processo de medida por este método.

Para uma formulação matemática do método, deve-se assumir o fio quente como uma fonte de calor ideal, infinitamente longa e fina, que é circundado até o infinito pelo material cuja condutividade térmica pretende-se determinar. Ao passar uma corrente elétrica constante no fio, uma quantidade constante de calor é liberada e propaga-se através do material, por unidade de tempo e por unidade de comprimento. Essa propagação de calor num meio infinito gera, no material, um campo transiente de temperaturas [10-12, 13, 15].

A capacidade térmica do fio e a resistência de contato entre ele e a amostra são fatores que impõem um tempo mínimo e um tempo máximo a serem utilizados no cálculo da condutividade térmica, pois na prática, a fonte teórica linear é aproximada por uma resistência elétrica fina, e o sólido infinito é substituído por uma amostra finita.

A diferença entre as curvas real e teórica (Fig. 1.7.1) em seu trecho inicial é devida à resistência de contato entre o fio quente e a amostra e à inércia térmica do material, enquanto a diferença no trecho final é conseqüência do tamanho finito da amostra. A região intermediária, onde as curvas real e teórica exibem o mesmo comportamento, define os limites de tempo que devem ser considerados na medida da condutividade térmica pela técnica do fio quente. Assim, o tempo máximo de medida decresce com o aumento da condutividade térmica do material a ser ensaiado [10-12, 13, 15].