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Princípios Básicos dos Materiais
- 1. CENFIM Constituição Básica da Matéria Princípios Básicos dos Materiais Classificação dos Materiais IMP CON 018
- 2. Importância Histórica dos Materiais Vítor Caetano 2IMP CON 018 • Os materiais sempre tiveram um papel fundamental na vida da humanidade • As eras antigas foram designadas de acordo com o domínio dos materiais, Idade da Pedra, Idade do Ferro • No início o homem só tinha acesso aos materiais naturais, tais como pedras, madeira, ossos e peles Vítor Caetano
- 3. Importância Histórica dos Materiais Vítor Caetano 3IMP CON 018 • A noção inicial baseava-se na dureza; Tribos com lanças apenas de madeira tinham mais dificuldade em abater uma caça do que tribos utilizando pontas de pedra em suas lanças • Após o domínio do fogo, tomou-se noção dos materiais inflamáveis e não- inflamáveis bem como outras transformações decorrentes da temperatura Vítor Caetano
- 4. Eras dos Materiais Vítor Caetano 4IMP CON 018 Vítor Caetano
- 5. Classificação dos Materiais Vítor Caetano 5IMP CON 018 Vítor Caetano
- 6. Classificação dos Materiais Vítor Caetano 6IMP CON 018 Vítor Caetano
- 7. O UNIVERSO é constituído por MATÉRIA e ENERGIA Vítor Caetano 7IMP CON 018 MATÉRIA • Matéria é a designação geral para tudo aquilo que tem massa • Excluindo formas exóticas de matéria como o caso dos buracos negros, ela ocupa espaço e por isso tem volume • Podemos citar como exemplos de matéria, o ferro, a madeira, o ar, a água, um ser humano, o sol, os planetas e as galáxias • A ausência total de matéria é o vácuo Vítor Caetano
- 8. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais ENERGIA • Não é fácil definir energia com rigor, pois trata- se de um conceito primitivo • Alguns autores dizem que é impossível definir energia e afirmam que não tem uma definição precisa nem sinónimos • Cientificamente energia é uma abstração matemática que não tem existência para além da sua relação funcional com variáveis ou coordenadas, que têm uma interpretação física e podem ser medidas • Num sentido mais comum, energia é a capacidade de realizar trabalho, é tudo o que pode modificar a matéria, por exemplo, na sua posição, estado de agregação, natureza química. É também tudo que pode provocar ou anular movimentos e causar deformações.
- 9. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais MATERIAL • Os materiais são feitos de matéria • Podem ser constituídos por uma ou varias substâncias, designando-se por substâncias puras ou misturas respetivamente • São exemplos de materiais: madeira, cobre, aço, ar, água, hidrogénio, vidro e plástico • Classificam-se de várias maneiras, por exemplo: naturais e manufaturados; metálicos, cerâmicos e polímeros; sólidos líquidos e gasosos à temperatura ambiente
- 10. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais CORPO • Um corpo é uma porção limitada de matéria • Podem ser constituídos por um ou mais materiais • São exemplos de corpos: uma árvore, uma pedra, um automóvel, um gato, um ser humano, um litro de leite, a atmosfera que envolve a terra • Objetos são corpos utilizados pelo homem, por exemplo: Um automóvel, uma cadeira, um lápis • Exemplo: Uma garrafa de vidro não é um material, é um corpo e também um objeto. O material é o vidro que a constitui • Um automóvel é um corpo (e também um objeto) constituído por muitos materiais, tais como: aço, cobre, ligas de alumínio, plástico, borracha, vidro …
- 11. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Exemplos de materiais que entram na construção de um automóvel: • Aço (vários aços) • Água • Vidro • Plásticos (vários tipos) • Tecidos • Alumínio • Latão • Cobre • Estanho • Propano • Ácido Sulfúrico • Crómio • Níquel • Borracha • Zinco • Gasolina • Gasóleo • Chumbo
- 12. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Exemplos de materiais que entram na construção de uma casa: • Tijolos (argila) • Areia • Cimento • Aço • Madeira • Água • Vidro • Plásticos • Tecidos • Alumínio • Latão • Cobre • Estanho • Pedra • Propano
- 13. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Ciência dos Materiais Ciência dos Materiais é o ramo da ciência que estuda a relação existente entre a estrutura e as propriedades dos materiais Engenharia dos Materiais Aplica os conhecimentos existentes sobre a estrutura da matéria para produzir materiais com um conjunto determinado de características pretendidas Ao projetar os engenheiros terão de estar conscientes das propriedades dos materiais e dos problemas que os materiais originam
- 14. Classificação dos Materiais Vítor Caetano 14IMP CON 018
- 15. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Toda a matéria é formada por partículas extremamente pequenas que se designam por átomos A palavra átomos significa indivisível pois na antiguidade pensava-se que estas partículas eram indivisíveis Dalton no século XIX retomou a ideia de que os átomos eram constituintes básicos de toda a matéria
- 16. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Presentemente sabe-se que os átomos são constituídos por partículas ainda mais pequenas conhecidas por partículas subatómicas: eletrões, protões, neutrões, quarks, neutrinos , positrões, bosões … Foi apenas no fim do século XIX (1897) que o físico inglês Joseph Thompson descobriu que os átomos eram divisíveis Um átomos é formado por um núcleo onde se encontram protões e neutrões, estes também são conhecidos nucleões. À volta do núcleo estão dispostos os eletrões em camadas energéticas que se designam por orbitais.
- 17. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Átomos e Partículas Subatómicas O átomo mais simples que existe é o de Hidrogénio, que apenas tem um protão no seu núcleo e um único eletrão em órbita. Seguidamente, por ordem de complexidade vem o átomo de Hélio que tem dois protões e dois eletrões. Como se pode verificar um átomo é eletricamente neutro, ou seja, tem tantos protões como eletrões. Protões – carga elétrica positiva Neutrões – não têm carga elétrica Eletrões – carga elétrica negativa
- 18. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Outros exemplos de átomos são o Carbono e o Alumínio, com 6 e 13 protões respetivamente O número atómico de um átomo é igual ao seu número de protões
- 19. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Tabela Periódica ou Tabela dos Elementos
- 20. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais
- 21. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Iões • Catiões (iões positivos): são partículas que têm carga elétrica positiva; os mais simples formam-se a partir de átomos por perda de um ou mais eletrões • Aniões (iões negativos): são partículas que têm carga elétrica negativa; os mais simples formam-se a partir de átomos por ganho de um ou mais eletrões
- 22. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Moléculas • Os átomos raramente se encontram sozinho na natureza • Eles tendem a juntar-se formando toda a complexidade que conhecemos no mundo • Apenas um punhado de elementos é estável sozinho, são os gases nobres ou raros • Quando os átomos se juntam formam ligações ente si que se designam por ligações químicas • Para romper uma ligação química, em geral é preciso uma quantidade de energia considerável, por isso os átomos permanecem juntos formando moléculas • Todas as ligações químicas envolvem apenas os eletrões das camadas mais exteriores do átomo e nunca o núcleo atómico • Existem casos de moléculas que são formadas por uma grande quantidade de átomos, estas são as chamadas macromoléculas.
- 23. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Ligações Químicas Fortes ou Principais (Intramoleculares) • Ligação Iônica - Um dos átomos da ligação cede um ou mais eletrões ao outro átomo, mantendo-se unidos por forças electroestáticas. • Ligação Covalente - Existe partilha de eletrões do último nível de cada átomo envolvido na ligação. • Ligação Metálica - Consiste numa rede enorme de átomos ligados em que os eletrões dos últimos níveis estão livres, podendo circular livremente por toda a rede.
- 24. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais
- 25. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Ligações Químicas Fracas ou Secundarias (Intermoleculares) • Ponte de Hidrogénio • Dipolo Permanente • Dipolo Induzido
- 26. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Substância Pura ou simplesmente Substância: • É cada uma das espécies de matéria que constitui o universo • Pode ser simples ou composta • A sua composição é sempre fixa e definida, por exemplo, para se formar água é necessário a combinação de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, como consequência a água é formada na proporção de 2 gramas de hidrogênio para 16 gramas de oxigênio Substâncias puras elementares: • São formadas pela combinação de átomos de um único elemento químico • O gás hidrogênio é formado por dois átomos de hidrogênio ligados entre si • O ozone que é formado por três átomos de oxigênio. • Em geral, as substâncias elementares que o homem utiliza são produzidas em laboratório, por processos de separação de misturas ou métodos de purificação.
- 27. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Substâncias puras Compostas: • São formadas pela combinação de átomos de dois ou mais elementos químicos diferentes • A água é uma substância composta porque é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio • Ácido clorídrico é uma substância composta porque é formado por um átomo de hidrogénio e um átomo de cloro • O Metano é constituído por um átomo de carbono e quatro de hidrogénio
- 28. Mistura: • Material formada por duas ou mais substâncias puras • É difícil encontrar substâncias puras livres na natureza • As misturas, não possuem composição fixa e definida, por exemplo, para obter uma mistura de água e sal pode-se colocar qualquer quantidade de água e qualquer quantidade de sal • Algumas misturas são tão importantes que têm nome próprio. São exemplos: gasolina, mistura de hidrocarbonetos, que são substâncias formadas por hidrogênio e carbono; ar atmosférico, mistura de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 1% de outros gases, como o dióxido de carbono; álcool etílico comercial, mistura de 96% de álcool etílico com 4% de água. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais
- 29. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Mistura Homogênea: • É formada por apenas uma fase. • Não se consegue diferenciar as substâncias misturadas. • Exemplos: água com sal; água com álcool etílico; água com acetona; água com açúcar; água com sais minerais
- 30. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Mistura Heterogênea • É formada por duas ou mais fases • As substâncias podem ser diferenciadas a olho nu ou pelo microscópio • Exemplos: água com óleo; granito; água com enxofre; água, areia e óleo.
- 31. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Misturas coloidais • Os componentes da mistura não podem distinguir-se a olho nu, contudo se usarmos um instrumento de ampliação, como um microscópio, conseguir-se-ia distinguir os diferentes componentes da mistura • Se deixarmos maionese fora do frigorífico durante algum tempo conseguimos visualizar pequenas partículas de gordura • Se observarmos uma gota de sangue a olho nu não conseguimos identificar os seus componentes, mas se observarmos essa gota ao microscópio, distinguimos os glóbulos brancos, os glóbulos vermelhos, as plaquetas, etc.
- 32. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Métodos de separação de misturas Decantação: permite a separação de líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um sólido precipitado num líquido. Exemplos: água e areia, água e óleo vegetal Filtração: este é um método de separação muito presente no laboratório químico e também no cotidiano. É usado para separar um sólido de um líquido ou sólido de um gás, mesmo que o sólido se apresente em suspensão. A mistura atravessa um filtro poroso, onde o material particulado fica retido.
- 33. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Centrifugação • Para separar líquidos imiscíveis (que não se misturam) ou um líquido de um sólido insolúvel em suspensão • Para fazer uma centrifugação é preciso uma centrifugadora. Esta máquina faz rodar a mistura (na qual uma das partes tem que ser líquida) a alta velocidade, provocando a separação pela ação da força centrifuga que é aplicada (do centro para fora) • A separação dá-se devido às diferenças de densidades dos materiais • Normalmente uma centrifugação é seguida de uma decantação • Exemplos: separar glóbulos vermelhos do plasma sanguíneo; separar a nata do leite.
- 34. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Cristalização: separa um sólido cristalino de uma solução. Na cristalização há uma evaporação do solvente de uma solução provocando o aparecimento de cristais do soluto. Exemplo: o aparecimento do sal nas salinas Destilação • Separa líquido(s) de sólido(s) dissolvidos ou líquido(s) de líquido(s) • Na destilação acontecem duas mudanças de estado consecutivas: uma ebulição (vaporização) seguida de uma condensação • Na ebulição é retirado da mistura o componente com o ponto de ebulição mais baixo, e na condensação esse componente volta à sua forma líquida
- 35. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Destilação Fracionada • É um método de separação de líquidos que se encontram em mistura homogênea ou heterogênea • Quanto mais distantes forem os pontos de ebulição destes líquidos, mais eficiente será o processo de destilação • Eleva-se a temperatura até que se alcance o ponto de ebulição do líquido que apresente valor mais baixo para esta característica e aguarda-se, controlando a temperatura, a completa destilação deste. Posteriormente, permite-se que a temperatura se eleve até o ponto de ebulição do segundo líquido. Quanto mais próximos forem os pontos de ebulição dos líquidos, menor o grau de pureza das frações destiladas • A destilação fracionada é usada na obtenção das diversas frações do petróleo. Nos alambiques, este tipo de destilação é usado na obtenção de bebidas como a aguardente.
- 36. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Cromatografia: para separar substâncias com diferentes solubilidades num determinado soluto. Na cromatografia uma mistura é arrastada (por um solvente apropriado) num meio poroso e absorvente. Como diferentes substâncias têm diferentes velocidades de arrastamento num determinado solvente, ao fim de algum tempo há uma separação dos constituintes da mistura. Este processo é normalmente usado para pequenas quantidades de amostra. Exemplo: separação dos componentes de uma tinta. Separação Magnética: consegue separar componentes que tenham propriedades magnéticas dos que não as possuem. Aproveitam-se as propriedades magnéticas de um dos componentes da mistura para o separar dos outros. Exemplo: areia e limalha de ferro; enxofre e limalha de ferro.
- 37. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Peneiração • Este método é usado na separação de sistemas sólido-sólido, onde um dos dois componentes apresente granulometria que permita que o mesmo fique preso nas malhas de uma peneira Ventilação • Método de separação para sistemas sólido- sólido, onde um dos componentes pode ser arrastado por uma corrente de ar. Um bom exemplo é a separação da casca e do caroço do amendoim torrado Sedimentação • Consiste em deixar a mistura em repouso até o sólido se depositar no fundo do recipiente
- 38. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Estados Físicos da Matéria ou Estados de Agregação da Matéria condensação evaporação ebulição
- 39. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Fase gasosa • Nesta fase as partículas da substância estão com maior energia cinética • Elas ficam muito distantes umas das outras • Movem-se com alta velocidade e colidem entre si • Um gás qualquer colocado dentro de uma garrafa de 1 litro adquire a forma da garrafa • Podemos dizer que uma substância na fase gasosa possui forma e volume variáveis • Como tal, os gases são compressíveis, ao contrário dos líquidos e sólidos não têm volume fixo. • Se aumentarmos a pressão podemos comprimi- los, ou reduzir o seu volume.
- 40. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Fase Líquida • Na fase líquida as partículas estão um pouco mais unidas em relação à fase gasosa • Não há nenhum arranjo definido • A energia cinética é intermediária entre a fase gasosa e a fase sólida • As partículas nos líquidos “deslizam” umas sobre as outras movendo-se. Isto é o que proporciona a fluidez no líquido • Todos os líquidos podem fluir, uns mais que os outros dependendo da sua viscosidade • Dizemos que a água tem baixa viscosidade e que o mel tem alta viscosidade • Os líquidos com baixa viscosidade oferecem menor resistência para fluir
- 41. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Fase Sólida • Na fase sólida, as partículas que formam a substância possuem menor energia cinética • Estão unidas por forças de atração mais fortes • Estão dispostas, em geral, de acordo com um arranjo geométrico definido • Ao contrário da grande maioria dos materiais, o arranjo das moléculas de água, na fase sólida, é responsável pelo aumento do volume. A água ao congelar expande- se, formando gelo que é menos denso que a água na fase líquida • Podemos dizer que os materiais na fase sólida mantêm a forma e o volume.
- 42. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Alotropia • Alotropia é a propriedade que alguns elementos químicos têm de formar uma ou mais substâncias simples diferentes • São alótropos: carbono, oxigênio, fósforo e enxofre • O carbono possui dois alótropos: o diamante e a grafite. A sua principal diferença está no arranjo cristalino dos átomos de carbono. Na grafite formam-se hexágonos. Cada átomo de carbono está ligado a apenas três outros átomos de carbono, em lâminas planas, fracamente atraídas umas pelas outras •No diamante, cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos também de carbono
- 43. Classificação dos Materiais Vítor Caetano 43IMP CON 018 Vítor Caetano
- 44. Classificação dos Materiais Materiais – Materiais Metálicos – Materiais não Metálicos Vítor Caetano 44IMP CON 018 Vítor Caetano
- 45. Classificação dos Materiais • Materiais Metálicos o Metais Ferrosos • Aços • Ferros Fundidos o Metais não Ferrosos • Metais Puros • Ligas Metálicas não Ferrosas (Latões, Bronzes, Ligas de Alumínio, …) Vítor Caetano 45IMP CON 018 Vítor Caetano
- 46. Classificação dos Materiais • Materiais não Metálicos o Polímeros o Cerâmicos o Compósitos o Materiais Magnéticos e Supercondutores o Materiais Eletrónicos, Fotónicos e Óticos o Biomateriais o Materiais Porosos e Celulares Vítor Caetano 46IMP CON 018 Vítor Caetano
- 47. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Classificação Clássica dos Materiais • Metálicos • Cerâmicos • Polímeros • Compósitos
- 48. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Metais • Metais são materiais formados pela combinação de elementos químicos que ocupam a posição central na Tabela Periódica. (eletropositividade = caráter metálico = tendência para perder eletrões = opõe-se à eletronegatividade • Esses elementos possuem como principal característica a sua ductilidade, altas condutividades térmica e elétrica • São mecanicamente resistentes, porém podem ser deformados. • Em geral, possuem um aspeto brilhante e lustroso quando polidos
- 49. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Cerâmicos • Cerâmicas são compostos com características entre os metais e os elementos não-metálicos e incluem compostos químicos, tais como: óxidos, nitretos e carbonetos • Tipicamente isolantes elétricos e térmicos e resistentes a altas temperaturas e ambientes quimicamente agressivos.
- 50. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Polímeros • Os polímeros vulgarmente conhecidos como plásticos, geralmente são compostos orgânicos baseados principalmente em átomos de carbono e hidrogênio • Possuem elevada massa molecular e usualmente possuem baixa densidade • Apresentam baixa estabilidade química e estrutural em altas temperaturas • Por causa dessas características, as suas principais aplicações são o fabrico de produtos com baixo ciclo de vida (geralmente descartáveis)
- 51. Vítor Caetano Tecnologia Mecânica Princípios Básicos dos Materiais Compósitos • Os compósitos consistem em dois ou mais tipos de materiais com diferentes estruturas e propriedades • A "fibra de vidro" é uma combinação de vidro e polímero • O concreto e a madeira prensada são outros exemplos de materiais compósitos familiares • Diversos compósitos são combinações de fibras cerâmica inseridas em uma matriz metálica ou polimerica