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Viscoelasticidade

1850

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e strain linearmente com o tempo quando um stress é aplicado. Materiais elásticos, como um elástico de borracha, deformam-se quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Materiais viscoelásticos possuem características de ambos.

O comportamento viscoelástico é uma consequência do rearranjo da microestrutura de um material ao longo do tempo. Quando uma tensão é aplicada, parte da energia é armazenada elasticamente no estiramento ou flexão das ligações moleculares, enquanto parte é dissipada como calor pelo deslizamento viscoso das moléculas umas sobre as outras. Esse comportamento dual leva a diversos fenômenos característicos. Um deles é a fluência, na qual o material continua a se deformar lentamente ao longo do tempo sob uma carga constante. Outro é o relaxamento de tensão, no qual a tensão necessária para manter uma deformação constante diminui com o tempo à medida que a estrutura interna do material se rearranja.

This time-dependent response is often modeled using combinations of ideal springs (representing the elastic component, following Hooke’s Law) and dashpots (representing the viscous component, following Newton’s Law of Viscosity). Simple models like the Maxwell model (spring and dashpot in series) and the Kelvin-Voigt model (spring and dashpot in parallel) capture the basic features of stress relaxation and creep, respectively. More complex models, such as the Standard Linear Solid model, combine these elements to provide a more accurate description of real materials.

O comportamento dos materiais viscoelásticos também depende muito da temperatura e da taxa de deformação aplicada. Em baixas temperaturas ou altas taxas de deformação, eles tendem a se comportar mais como sólidos elásticos, enquanto em altas temperaturas ou baixas taxas de deformação, comportam-se mais como fluidos viscosos. Isso é conhecido como princípio da superposição tempo-temperatura.

Teste de Fluência, Elastômeros, Propriedades Mecânicas, Polímeros, Garantia de Qualidade, Controle de qualidade, Reologia, Corrosão sob tensão, Análise de vibração

UNESCO Nomenclature: 2203

Mecânica dos meios contínuos

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

Lei da elasticidade de Hooke (1660)
Lei da viscosidade de Newton (1687)
primeiros estudos sobre os efeitos posteriores da elasticidade por Wilhelm Weber (1835)
desenvolvimento da ciência dos polímeros

Aplicações

colchões de espuma viscoelástica
amortecedores em veículos
synthetic polymers and plastics
tecidos humanos e biomecânica
materiais de amortecimento de vibração
adesivos sensíveis à pressão

Patentes:

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: viscoelasticidade, reologia, fluência, relaxamento de tensão, polímeros, biomecânica, modelo de Maxwell, modelo de Kelvin-Voigt.

Contexto histórico

Célula de combustível

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte diretamente a energia química de um combustível, tipicamente hidrogênio, e de um agente oxidante, geralmente oxigênio, em eletricidade. Ao contrário de uma bateria, ela requer um suprimento externo contínuo de combustível e oxidante para funcionar. Os componentes principais são um ânodo, um cátodo e um eletrólito que os separa, facilitando o transporte de íons.

Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].

Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume e pressão constantes, respectivamente, e são considerados constantes.

Viscoelasticidade

Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Entalpia de sublimação

A entalpia de sublimação, ΔH_sub, é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressão. De acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa variação de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔH_fus) e da entalpia de vaporização (ΔH_vap).

Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica introduz o conceito de entropia e define a direção dos processos espontâneos. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, mas uma consequência fundamental é que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Essa lei explica a "flecha do tempo" e por que os processos são irreversíveis, como o fluxo espontâneo de calor de um corpo quente para um corpo frio.

Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

O Modelo de Gás Perfeito

Um gás perfeito é um modelo teórico de um gás onde as forças intermoleculares são negligenciadas e os calores específicos (C_P e C_V) são considerados constantes em relação à temperatura. Isso simplifica significativamente os cálculos termodinâmicos. Trata-se de um caso específico do gás ideal, onde os calores específicos podem variar com a temperatura, tornando-o um modelo mais restrito.

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Célula de Daniell com eletrodos de cobre e zinco em uma configuração de laboratório de eletroquímica.

Operação da Célula Daniell

Uma evolução da pilha voltaica, a célula de Daniell consiste em um eletrodo de cobre em uma solução de sulfato de cobre (II) e um eletrodo de zinco em uma solução de sulfato de zinco, separados por uma barreira porosa. Esse design de dois fluidos impede o acúmulo de gás hidrogênio (polarização) no eletrodo de cobre, resultando em uma fonte de tensão muito mais estável e confiável por um período mais longo.

O efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a geração de tensão e corrente elétrica em um material quando exposto à luz. É um fenômeno físico e químico. Uma aplicação comum é a célula solar, que utiliza esse efeito para converter a luz solar diretamente em eletricidade. O efeito se baseia em fótons de luz que excitam elétrons para um estado de energia mais elevado.

Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (R_s). A relação é c_p - c_v = R_s. Para calores específicos molares (C_p e C_v), a relação é C_p - C_v = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que c_p é sempre maior que c_v.

19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservação de Energia

Um princípio fundamental afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, como de energia potencial para energia cinética. Na mecânica clássica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Para um fluido newtoniano, a viscosidade é função da temperatura e da pressão, mas não da taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque a maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças intermoleculares coesivas com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.