Sobre o Aerogel
O aerogel é um material sólido poroso ultraleve sintético derivado de um gel, no qual o componente líquido do gel foi substituído por um gás (durante um processo de secagem supercrítica). Os aerogéis podem ser feitos de uma variedade de compostos químicos, mas o material base para o aerogel é geralmente o silício.
Resumo
Nome | Aerogel |
Fase em STP | sólido |
Densidade | 10 kg/m3 |
Resistência à tração | 0,08 MPa |
Força de rendimento | N/D |
Módulo de elasticidade de Young | 0,005 GPa |
Dureza Brinell | N/D |
Ponto de fusão | 1197 °C |
Condutividade térmica | 0,01 W/mK |
Capacidade de calor | 1900 J/gK |
Preço | 12 $/kg |
Densidade do Aerogel
Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade padrão do SI é quilogramas por metro cúbico (kg/m3). A unidade padrão inglesa é libras de massa por pé cúbico (lbm/ft3).
A densidade do aerogel é de 10 kg/m3.
Exemplo: Densidade
Calcule a altura de um cubo feito de Aerogel, que pesa uma tonelada métrica.
Solução:
A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É matematicamente definido como massa dividida pelo volume: ρ = m/V
Como o volume de um cubo é a terceira potência de seus lados (V = a3), a altura desse cubo pode ser calculada:
A altura desse cubo é então a = 4,642 m.
Densidade de Materiais
Propriedades Mecânicas do Aerogel
Força do Aerogel
Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou alteração nas dimensões do material. Ao projetar estruturas e máquinas, é importante considerar esses fatores, para que o material selecionado tenha resistência adequada para resistir às cargas ou forças aplicadas e manter sua forma original.
A resistência de um material é sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica. Para tensão de tração, a capacidade de um material ou estrutura de suportar cargas que tendem a se alongar é conhecida como resistência à tração final (UTS). O limite de escoamento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde a deformação não linear (elástica + plástica) começa. No caso de tensão tracional de uma barra uniforme (curva tensão-deformação), a lei de Hooke descreve o comportamento de uma barra na região elástica. O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensões de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração.
Veja também: Resistência dos Materiais
Resistência à tração final do Aerogel
A resistência à tração final do Aerogel é de 0,08 MPa.
Força de Cedência do Aerogel
O limite de escoamento do Aerogel é N/A.
Módulo de Elasticidade do Aerogel
O módulo de elasticidade de Young do Aerogel é 0,005 GPa.
Dureza do Aerogel
Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de suportar o recuo da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. O teste de dureza Brinell é um dos testes de dureza de indentação, que foi desenvolvido para testes de dureza. Nos testes Brinell, um penetrador esférico duro é forçado sob uma carga específica na superfície do metal a ser testado.
O número de dureza Brinell (HB) é a carga dividida pela área da superfície da indentação. O diâmetro da impressão é medido com um microscópio com uma escala sobreposta. O número de dureza Brinell é calculado a partir da equação:
A dureza Brinell do Aerogel é aproximadamente N/A.
Veja também: Dureza dos Materiais
Exemplo: Força
Suponha uma haste de plástico, que é feita de Aerogel. Esta haste de plástico tem uma área de seção transversal de 1 cm 2 . Calcule a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final para este material, que é: UTS = 0,08 MPa.
Solução:
A tensão (σ) pode ser igualada à carga por unidade de área ou à força (F) aplicada por área de seção transversal (A) perpendicular à força como:
portanto, a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final é:
F = UTS x A = 0,08 x 106 x 0,0001 = 0,08 N
Propriedades Térmicas do Aerogel
Aerogel – Ponto de Fusão
O ponto de fusão do Aerogel é 1197 °C.
Observe que esses pontos estão associados à pressão atmosférica padrão. Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual essa mudança de fase ocorre. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio. Para vários compostos químicos e ligas, é difícil definir o ponto de fusão, pois geralmente são uma mistura de vários elementos químicos.
Aerogel – Condutividade Térmica
A condutividade térmica do Aerogel é 0,01 W/(m·K).
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. No geral:
A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto, geralmente podemos escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.
Aerogel – Calor Específico
O calor específico do Aerogel é 1900 J/gK.
Calor específico, ou capacidade calorífica específica, é uma propriedade relacionada à energia interna que é muito importante na termodinâmica. As propriedades intensivas cv e cp são definidas para substâncias compressíveis puras simples como derivadas parciais da energia interna u(T, v) e entalpia h(T, p), respectivamente:
onde os subscritos v e p denotam as variáveis mantidas fixas durante a diferenciação. As propriedades cv e cp são chamadas de calores específicos (ou capacidades térmicas) porque, sob certas condições especiais, elas relacionam a mudança de temperatura de um sistema com a quantidade de energia adicionada pela transferência de calor. Suas unidades no SI são J/kg K ou J/molK.
Exemplo: cálculo de transferência de calor
A condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura. Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor.
Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede de 3 m x 10 m de área (A = 30 m2). A parede tem 15 cm de espessura (L1) e é feita de Aerogel com condutividade térmica de k1 = 0,01 W/mK (isolante térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 °C e -8 °C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h1 = 10 W/m2K e h2 = 30 W/m2K, respectivamente. Note-se que estes coeficientes de convecção dependem muito especialmente das condições ambientais e interiores (vento, humidade, etc.).
Calcule o fluxo de calor (perda de calor) através desta parede.
Solução:
Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção. Com esses sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente global de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton:
O coeficiente global de transferência de calor está relacionado com a resistência térmica total e depende da geometria do problema.
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente global de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente global de transferência de calor é então: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,01 + 1/30) = 0,066 W/m2K
O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 0,066 [W/m2K] x 30 [K] = 1,98 W/m2
A perda total de calor através desta parede será: qperda = q . A = 1,98 [P/m2] x 30 [m2] = 59,47 W