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Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Maria Teresa Paulino Aguilar Universidade Federal de Minas Gerais
Superfície e Interfaces
Capítulo 7
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Uma interface é
a superfície ao longo da qual duas substâncias (folha em contato com a água), ou fases distintas de um mesmo material (um líquido em contato com seu próprio vapor), ou duas fases sólidas de um material polifásico
(ferrita
e cementita
dos aços) se
encontram.
Conceituação
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
•Figura 1 –
Superfície entre (a) duas substâncias(água e a folha) e entre (b) duas fases de uma mesma substância (argamassa com identificação das fases presentes por difratometria).
•(a)
•(b)
Conceituação
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
contornosde grão
contornos de macla
300x
Figura 2 –
Superfícies entre regiões de orientações cristalográficas diferentes (a) contornos de grão e (b) contornos de macla
em um aço inoxidável.
Conceituação
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Caracterização
•
As superfícies têm sempre um comportamento diferente daquele que é
apresentado pelo interior do volume
considerado. 9 vizinhos semelhantes
(6 ao redor e 3 embaixo)
12 vizinhos semelhantes (6 ao redor, 3 embaixo e
3 em cima)
•Figura 3 –
Representação esquemática dos átomos no interior e na superfície de um sólido cuja estrutura do arranjo atômico é
hexagonal compacta.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Caracterização
•
Energia de superfície ou energia interfacial
dw = γ
dA
trabalho reversível à
temperatura constante (dw) necessário para aumentar de uma grandeza infinitesimal dA
a área superficial
γsv-ferro
= 0,3
J.m-2
a energia em excesso poder ter menores valores se a área de contato entre dois materiais ou fases diminuir
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Caracterização
•
Tensão
superficial •
tendência natural de tornar mínima a energia de superfície pela minimização da área superficial (N.m-2)
•
sob temperatura constante:•
para líquidos e gases a tensão superficial (N.m-2) é
numericamente
igual ao aumento da energia superficial com o aumento da área (J.m-2)
•
nos sólidos a energia de superfície e a tensão superficial não são exatamente as mesmas.
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Caracterização
•
Medidas
experimentais•
medidas precisas em interfaces envolvendo sólidos são difíceis e podem ser feitas considerando-se•
o número e a energia das ligações que devem ser rompidas para formar a superfície,
•
o calor de dissolução de pós finos de tamanho conhecido,•
um monocristal na forma de um fio fino sustentando uma massa em temperaturas próximas do ponto de fusão do fio.
•
a medida em fases com mobilidade se dá
a partir de considerações sobre o equilíbrio de forças que atuam na superfície
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Considerações termodinâmicas
•
Energia livre total do sistema supondo que a energia de deformação é desprezível:
E =
Ev
V +
EA
A
•
para um sistema de dois componentes:
E =
Ev1
V1
+ Ev2
V2
+
EA
A
r1
fase 1
fase 2fase 2
fase 1
r2 r1 = r2 = 0
•Figura 4 –
Representação (a) de uma superfície esférica com raios de curvatura principais r1 e r2, e (b) de uma superfície plana, r1 = r2 = 0.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
•movimento
da
interface
•variação
de área
variação
de pressão
equação
de Laplace,
•p2
= p1
+ 2γ
(1/r1
+ 1/r2
)
a pressão dentro de uma fase cuja superfície é
convexa é
maior que a pressão exterior
Considerações termodinâmicas
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Efeitos
tensoativos
e eletrocinéticos
dw = γ
dA
•
Tendências naturais das superfíçies:•
diminuição de área e dissolução de outros átomos ou moléculas
efeitos tensoativosadsorção
•
de se carregar eletricamente, sendo que a mobilidade dos íons, sob a ação de um potencial elétrico externo, depende das interações entre os íons e a superfície
efeitos eletrocinéticosformação da camada dupla e à
ocorrência do potencial zeta
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Adsorção
•
fenômeno de segregação de vários componentes na direção da superfície ou em direção contrária, de modo a reduzir a energia superficial ao aumentar a energia de ligação dos átomos da superfície.
•
equação de adsorção de Gibbs:
dγ
=
∫d lnp
•
tipos de adsorção:•
física
•
química
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1
volume de vapor adsorvido
(Rr)
pressão de vapor relativa (p)
•Figura 5: Isoterma de Langmuir.
•
isoterma de adsorção•
isoterma de Langmuir
•
isoterma de BET
Rr = Kp
/ (1 + K p)
Adsorção
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A camada dupla e o potencial zeta
•Figura 6: Variação do potencial zeta
em camada dupla condensada e difusa.
distância da superfície da partícula
potencial superficial
potencial zeta
camada de Stern
camada difusa
solução
partícula
dupla camada
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••
•• •
•
••
•
•
••
•
•
•
Fenômenos
de superfície
•
Molhamento
•
Trabalho
de adesão
θγ•sv γ•lv
γ•sl
θγ•sv
γ•lv
γ•sl
θγ•sv
γ•lv
γ•sl
γsv
>
γlv
+ γsl γsv
<
γlv
, + γsl γsv
= γlv
cos θ
+ γsl
wad
= γsv
+ γlv
-
γsl
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•
Capilaridade e permeabilidade•
capilares
verticais
•
capilares
horizontaisequação de Laplace:
Fenômenos
de superfície
α
r
h
p2
p1
p1
p2
h = 2 γlv
cosθ
/ (ρ
g
rt
)
se um líquido molha um sólido poroso, a pressão de vapor do líquido em um poro capilar é
menor do que fora dele
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•
União de superfícies sólidas através de películas líquidas
F = 2γA / d
para uma união adequada, ao longo de uma determinada área de contato, é
necessário alta tensão superficial e espaço capilar entre
duas placas
•
União de partículas finas promovidas por um meio aquoso
Pad
= 4πγ
(r1
+ r2
)
Fenômenos
de superfície
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Fenômenos
de superfície
•
Materiais
metálicos
•
Resistência mecânicaσ
= σo
+ k dg-1/2
•
Energia de falha de empilhamentoEDEaço
inoxidável
≈
19 mJ.m-2
EDEalumínio
≈
163 mJ.m-2
•
Nucleação e crescimento de fases sólidas
•
Forma e distibuição
das fases sólidas
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Figura 9 -
Microestrutura dos ferros fundidos (a) cinzento e (b) nodular (cortesia do SENAI/CETEF).
350x 350x
Fenômenos
de superfície
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•
Compósitos
para
fins estruturais•
a interface é
responsável pela transmissão de tensões da matriz
para os agentes de reforço;•
a interface é
comumente o local de penetração de substâncias
deletérias, como a água; •
as propriedades dos compósitos, de modo geral, dependem da morfologia da interface e da composição dos constituintes:
•
concretos reforçados com fibras curtas de aço apresentam comportamento mecânico distinto dos reforçados com fibras longas;
•
a utilização de fibras poliméricas curtas em concreto afeta as características de retração por secagem, enquanto o uso de fibras curtas de aço torna o composto mais tenaz;
•
interfaces autoregeneradoras.
Fenômenos
de superfície
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