Capacidade térmica específica da alumina

As cerâmicas de engenharia de alumina estão entre as mais utilizadas devido ao seu desempenho superior a um preço atraente. A alumina apresenta uma excelente capacidade térmica específica e está disponível em vários graus.

Este artigo investiga o impacto das nanopartículas de alumina (NPs) nos coeficientes de hidrofobicidade simples (SHCs) dos nanofluidos à base de sal fundido. Os dados experimentais revelaram que os SHCs diminuíram com a redução do tamanho e da concentração de NPs; além disso, também foram propostas previsões teóricas que apóiam esses resultados experimentais.

Propriedades termodinâmicas

A alumina é uma das cerâmicas de engenharia mais amplamente utilizadas, conhecida por suas excelentes propriedades de resistência térmica, à corrosão e ao desgaste. A alumina de grau técnico de grão fino oferece maior resistência mecânica e resistência à compressão do que qualquer outra cerâmica de óxido; além disso, ela apresenta baixa constante dielétrica e inércia química, o que a torna adequada para ambientes agressivos.

Ainda assim, suas propriedades termodinâmicas permanecem mal compreendidas; por exemplo, seu alto calor específico dificulta o resfriamento rápido. Portanto, compreender suas propriedades termodinâmicas é vital ao usar a alumina em várias aplicações; uma maneira de fazer isso é medir a entropia do estado padrão e a energia livre de Gibbs, conforme mostrado abaixo.

Os dados termodinâmicos sobre a alumina podem ser usados para calcular sua entalpia de vaporização e entropia de cristalização, fornecendo informações valiosas ao projetar processos que exigem o material ou comparar seu desempenho entre vários produtos. A entalpia de vaporização para amostras de alumina depende de sua temperatura, pressão e densidade - ela pode ser determinada a partir da dependência da temperatura de sua pressão de vapor e entalpia derivada da solução da equação de Poisson em volumes cilíndricos para amostras com geometria semelhante à encontrada aqui.

Essa fórmula pode ser usada para calcular a entalpia de vaporização de amostras sólidas com base em dados de temperatura e pressão, embora seja importante lembrar que amostras com grande área de superfície podem resultar em entalpias de vaporização mais altas do que suas equivalentes volumétricas.

O cálculo da entalpia de vaporização exige que a temperatura seja levada em consideração, pois seu valor depende das flutuações de temperatura, uma vez que seu valor aumenta com o aumento da temperatura da amostra. Dessa forma, é fundamental que as medições de calor específico e entalpia sejam realizadas em temperaturas semelhantes.

Os dados termodinâmicos da alumina podem ser obtidos usando um calorímetro adiabático ou deixando cair uma gota em um calorímetro de gelo de Bunsen e medindo sua entropia de estado padrão usando qualquer uma das técnicas. Conforme demonstrado na Figura 4, sua entropia de estado padrão aumenta com o aumento da temperatura, atingindo seu valor mais alto a 14 K.

Condutividade térmica

A condutividade térmica mede a facilidade com que o calor passa pelos materiais. Essa propriedade é determinada pelas interações entre as moléculas de um material e como elas se movimentam dentro dele, sua estrutura e disposição afetam a condutividade térmica, bem como as técnicas de medição empregadas. A alumina tem uma das mais altas condutividades térmicas entre as cerâmicas de engenharia, o que a torna uma excelente candidata para uso em aplicações de abrasivos e refratários.

A condutividade térmica da alumina é determinada por seu arranjo molecular e pelo comprimento do caminho pelo qual o calor deve passar, o que, por sua vez, depende da temperatura. Temperaturas mais baixas tendem a levar a uma maior condutividade, enquanto sua estrutura pode ser alterada por meio de manipulação; por exemplo, as impurezas na alumina podem ter um impacto sobre sua condutividade, pois causam valores mais baixos do que as formas puras.

O tamanho também desempenha um papel importante nas propriedades térmicas da alumina; grânulos menores tendem a apresentar menor condutividade térmica do que seus equivalentes maiores, pois têm mais área de superfície que interage entre si e troca energia com o ambiente. Os grânulos maiores, entretanto, tendem a permanecer isolados e não trocam energia facilmente entre si.

A condutividade térmica pode ser afetada pelas interações atômicas e moleculares, bem como pela densidade do material. Uma liga metálica terá condutividade térmica mais baixa devido às vibrações dos átomos em seu sólido, que reduzem o caminho livre médio dos elétrons livres dentro dela, levando-os a perder energia térmica com mais eficiência do que sua contraparte de metal puro.

A capacidade térmica específica da alumina - ou a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura em um determinado valor - afeta sua condutividade térmica, pois um valor mais alto de calor específico significa que ela requer mais energia para aumentar a temperatura.

A alumina pode variar consideravelmente em sua capacidade térmica específica, dependendo da temperatura de calcinação e do teor de água do material, sendo que o corindo (a-Al2O3) tem a maior capacidade térmica específica entre todas as formas. As fases G-Al2O3 tendem a ter capacidades de calor específicas mais baixas em comparação com suas contrapartes, o que se reflete em suas condutividades térmicas mais baixas.

Resistência à corrosão

A alumina é um material cerâmico técnico resistente com excelentes propriedades de resistência à corrosão, estabilidade térmica e resistência à temperatura. Além disso, a alumina é fornecida em vários formatos, tamanhos e graus para atender às necessidades de aplicações específicas.

O cobre ou outros metais podem ajudar a melhorar a resistência à corrosão da alumina, adicionando-os à sua matriz, ajudando a reduzir as estruturas cristalinas e promovendo a formação de camadas mais protetoras. O nióbio, o titânio e o vanádio também podem ser adicionados para melhorar ainda mais a resistência à corrosão.

Outra forma de aumentar a resistência à corrosão da alumina é incorporá-la a outras ligas. Uma vez combinados com outros elementos, como o níquel ou o titânio, os aços inoxidáveis austeníticos formadores de alumina (AFA SSs) têm capacidade de serviço em temperaturas mais altas do que em seu estado puro [1]. Por exemplo, eles podem suportar temperaturas superiores a 750 graus Celsius sem afetar a vida útil da ruptura por fluência [1].

O nióbio pode aumentar significativamente a resistência à corrosão da alumina em ambientes agressivos. Quando adicionado a uma matriz de alumina, ele forma carboneto de nióbio (NbC), que é resistente a altas temperaturas. Além disso, a adição de nióbio ajuda a estabilizar a microestrutura da alumina e a evitar danos durante os processos de sinterização.

Esse método pode ser usado para produzir ligas à base de alumina com propriedades desejáveis para várias aplicações, inclusive automotivas, de processamento químico, elétricas e eletrônicas.

A alumina provou ser altamente resistente à corrosão causada por soluções aquosas corrosivas, suportando ataques de ácidos sulfúrico e fosfórico, bem como de sais de sulfato e cloreto, além de ser impermeável a ácidos orgânicos, como o ácido cítrico. Devido a essas características, a alumina é um material ideal para a produção de combustíveis gasosos de hidrogênio; além disso, é amplamente utilizada em processos de geração de água supercrítica como um excelente material de escolha.

Ponto de fusão

Os pontos de fusão, ou temperaturas de transição, das substâncias são um fator integral das aplicações de fabricação, pois determinam se os sólidos começam a se converter da forma sólida para a líquida. O alumínio tem o sexto ponto de fusão mais alto entre os metais, de 1220 F a 660 C; esse alto ponto de fusão permite que o alumínio tolere condições adversas sem se deformar ou se tornar quebradiço.

A alumina tem um ponto de fusão extremamente alto devido à energia necessária para romper suas ligações covalentes entre os átomos de alumínio e oxigênio, o que leva a um ponto de fusão extremamente alto. Além disso, isso significa que ela mantém sua integridade estrutural em temperaturas muito altas, o que a torna um excelente material refratário usado para revestir fornos e estufas.

O derretimento da alumina produz um metal branco fundido com uma textura extremamente lisa, perfeito para ser moldado em várias formas e em grandes folhas ou blocos para vários usos. No entanto, seu processo de fusão requer amplo conhecimento, pois as impurezas químicas em sua fusão podem alterar suas propriedades, inclusive o ponto de fusão. Portanto, é fundamental que os processos de produção sejam gerenciados de perto, monitorando a qualidade da fusão para identificar as impurezas antes da fundição.

As impurezas químicas podem afetar o ponto de fusão da alumina, mas seu ponto de fusão também pode variar devido à sua composição. Os fatores que influenciam o ponto de fusão incluem a porcentagem de alumina, a fração de fase g e o teor de porosidade; a adição desses componentes extras pode elevar significativamente o ponto de fusão em comparação com o uso apenas de alumina pura como material de fabricação.

Além das variações em suas propriedades termodinâmicas e energéticas, a capacidade térmica da alumina também depende de como ela é fabricada. Os experimentos mostraram que as funções de capacidade térmica de amostras criadas usando vários alcóxidos de alumínio calcinados em várias temperaturas finais podem diferir significativamente, ressaltando sua complexidade como medições e a importância de práticas calorimétricas rigorosas durante sua criação.