Capacidade térmica específica da alumina

As cerâmicas de engenharia de alumina estão entre as mais utilizadas devido ao seu desempenho superior a um preço atrativo. A alumina possui 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 diminuem com a diminuição do tamanho e da concentração das NPs; além disso, foram também propostas previsões teóricas que apoiam estes resultados experimentais.

Propriedades termodinâmicas

A alumina é uma das cerâmicas de engenharia mais utilizadas, conhecida pelas 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, possui uma baixa constante dieléctrica e inércia química, o que a torna adequada para ambientes agressivos.

No entanto, as suas propriedades termodinâmicas continuam a ser pouco conhecidas; por exemplo, o seu elevado calor específico dificulta o arrefecimento rápido. Por conseguinte, compreender as suas propriedades termodinâmicas é vital quando se utiliza a alumina em várias aplicações; uma forma de o fazer é medir a entropia do estado padrão e a energia livre de Gibbs, como se mostra abaixo.

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

Esta 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 requer que se tenha em consideração a temperatura, uma vez que o seu valor depende das flutuações de temperatura; uma vez que o seu valor aumenta com o aumento da temperatura da amostra. Como tal, é crucial que as medições do calor específico e da entalpia sejam efectuadas a temperaturas semelhantes.

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

Condutividade térmica

A condutividade térmica mede a facilidade com que o calor se move através dos materiais. Esta propriedade é determinada pelas interações entre as moléculas de um material e a forma como se movimentam no seu interior, a sua estrutura e disposição têm impacto na condutividade térmica, bem como as técnicas de medição utilizadas. A alumina tem uma das condutividades térmicas mais elevadas entre as cerâmicas de engenharia - o que a torna uma excelente candidata para utilização em aplicações de abrasivos e refractários.

A condutividade térmica da alumina é determinada pela sua disposição molecular e pelo comprimento do caminho através do qual o calor tem de passar, o que, por sua vez, depende da temperatura. As temperaturas mais baixas tendem a conduzir a uma maior condutividade, enquanto a sua estrutura pode ser alterada através de manipulação; por exemplo, as impurezas na alumina podem ter um impacto na sua condutividade, uma vez que causam valores mais baixos do que as formas puras.

O tamanho também desempenha um papel importante nas propriedades térmicas da alumina; os grânulos mais pequenos tendem a apresentar uma condutividade térmica menor do que os seus homólogos maiores, devido ao facto de terem mais área de superfície que interage entre si e troca energia com o meio envolvente. Os grânulos maiores, no entanto, tendem a permanecer isolados e não trocam facilmente energia uns com os outros.

A condutividade térmica pode ser afetada pelas interações atómicas e moleculares, bem como pela densidade do material. Uma liga metálica terá uma condutividade térmica mais baixa devido às vibrações dos átomos no seu sólido que reduzem o caminho livre médio dos electrões livres no seu interior, levando-os a perder energia térmica de forma mais eficiente do que a sua contraparte metálica pura.

A capacidade térmica específica da alumina - ou a quantidade de energia necessária para aumentar a sua temperatura numa determinada quantidade - tem um efeito na sua condutividade térmica, uma vez que um valor mais elevado de calor específico significa que necessita de mais energia para aumentar a temperatura.

A alumina pode variar consideravelmente na sua capacidade térmica específica, dependendo da temperatura de calcinação e do teor de água do material, tendo o corindo (a-Al2O3) a maior capacidade térmica específica de todas as formas. As fases G-Al2O3 tendem a ter capacidades térmicas específicas mais baixas em comparação com as suas homólogas, o que se reflecte nas 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 está disponível em várias formas, tamanhos e graus para satisfazer as necessidades específicas das aplicações.

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 a promover a formação de camadas mais protectoras. O nióbio, o titânio e o vanádio também podem ser adicionados para uma melhoria adicional da resistência à corrosão.

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

O nióbio pode aumentar significativamente a resistência à corrosão da alumina em ambientes agressivos. Quando adicionado a uma matriz de alumina, 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 quaisquer danos durante os processos de sinterização.

Este método pode ser utilizado para produzir ligas à base de alumina com propriedades desejáveis para várias aplicações, incluindo automóveis, processamento químico, eletricidade e eletrónica.

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, sendo impermeável a ácidos orgânicos como o ácido cítrico. Devido a estas caraterísticas, a alumina é um material ideal para a produção de combustíveis gasosos de hidrogénio; 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 integrante das aplicações de fabrico, uma vez que determinam se os sólidos começam a converter-se da forma sólida para a forma líquida. O alumínio tem o sexto ponto de fusão mais elevado entre os metais, entre 1220 F e 660 C; este ponto de fusão elevado permite que o alumínio tolere condições adversas sem se deformar ou se tornar frágil.

A alumina tem um ponto de fusão extremamente elevado devido à energia necessária para quebrar as suas ligações covalentes entre os átomos de alumínio e de oxigénio, o que conduz ao seu ponto de fusão extremamente elevado. Além disso, isto significa que mantém a sua integridade estrutural a temperaturas muito elevadas, o que a torna um excelente material refratário utilizado para revestir fornos e estufas.

A fusão da alumina produz um metal branco, fundido, com uma textura extremamente suave, perfeito para ser moldado em várias formas e fundido em grandes folhas ou blocos para várias utilizações. No entanto, o seu processo de fusão requer um conhecimento aprofundado, uma vez que as impurezas químicas na sua fusão podem alterar as suas propriedades, incluindo o ponto de fusão. Por conseguinte, é crucial que os processos de produção sejam geridos de perto, monitorizando a qualidade da fusão para identificar as impurezas antes de ocorrer a fundição.

As impurezas químicas podem afetar o ponto de fusão da alumina, mas o seu ponto de fusão também pode variar devido à sua composição. Os factores que influenciam o seu ponto de fusão incluem a percentagem de alumina, a fração de fase g e o teor de porosidade; a adição destes componentes extra pode aumentar significativamente o seu ponto de fusão quando comparado com a utilização apenas de alumina pura como material de fabrico.

Para além das variações nas suas propriedades termodinâmicas e energéticas, a capacidade térmica da alumina também depende da forma como é fabricada. As experiências mostraram que as funções de capacidade térmica de amostras criadas utilizando vários alcóxidos de alumínio calcinados a várias temperaturas finais podem diferir significativamente - sublinhando a sua complexidade como medidas, bem como a importância de práticas calorimétricas rigorosas durante a sua criação.