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Capacidade térmica de cerâmicas extraídas de camadas diferentes de um
mesmo perfil
Francisco A. L. Machado, Milton Baptista-Filho, Roberto Faria Jr., Rosane Toledo,
Denise R. dos Santos, Helion Vargas.
Av. Alberto Lamego 2000, 28013-600, Campos, RJ. Email: [email protected]
Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro
Centro de Ciências e Tecnologia - Laboratório de Ciências Físicas
.
Resumo
O município de Campos dos Goytacazes destaca-se como um dos maiores
pólos cerâmicos do estado do Rio de Janeiro, totalizando cerca de 35% da produção
e 35% das indústrias cerâmicas do estado. São gerados cerca de três mil empregos
diretos e produzidas setenta e cinco milhões de peças por mês. A qualidade dos
produtos obtidos em geral é baixa, necessitando, portanto de um estudo mais
detalhado. No presente trabalho, foram analisadas duas argilas de um mesmo perfil
com profundidades diferentes, denominados aqui por J13 e J14. A propriedade
analisada foi a capacidade térmica (ρc), de vital importância para a caracterização
térmica dos produtos cerâmicos.
Palavras-chave: Capacidade Térmica Específica, Cerâmica Vermelha e
Técnicas Fototérmicas.
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Introdução:
O município de Campos dos Goytacazes, localizado na região Norte do
Estado do Rio de Janeiro, é o maior do estado com uma área territorial de 4.037km2,
com uma população de aproximadamente 500 mil habitantes.
As indústrias álcool-açucareira e de cerâmica vermelha são destaques no
município de Campos dos Goytacazes e em toda região, entretanto, a indústria de
cana-de-açúcar vem passando por sérios problemas de produção, devido à falta de
investimento governamental e aquisição de novas tecnologias.
Com a queda das indústrias de cana-de-açúcar, a indústria cerâmica tornouse uma atividade de destaque na região, sendo formada por cerca de cem
cerâmicas sindicalizadas e gerando cerca de três mil empregos diretos (1).
Apesar do pólo cerâmico da região ser responsável por cerca de 35 % da
produção estadual, há uma carência na qualidade dos produtos cerâmicos, o
Laboratório de Ciências Físicas (LCFIS), busca auxiliar as indústrias de cerâmicas
através de pesquisa e tecnologia.
A falta de alguns fatores como mão-de-obra especializada, investimento em
pesquisa e tecnologia, conhecimento da matéria-prima, entre outros, nos levam a
esta qualidade insuficiente dos produtos cerâmicos. Entretanto, durante os últimos
anos, com o crescimento da construção civil, a pesquisa sobre a argila tem se
difundido largamente entre os vários grupos de pesquisa no Brasil. Por exemplo,
ensaios tecnológicos (densidade aparente, tensão de ruptura, porosidade aparente)
têm sido intensamente explorados, porém, quase não há informação sobre as
propriedades térmicas das cerâmicas vermelhas.
Ter um estudo mais detalhado das propriedades térmicas torna-se
fundamental para a fabricação das cerâmicas vermelhas. Aqui no LCFIS
(Laboratório de Ciências Físicas) conseguimos caracterizar termicamente o material
e neste trabalho foram analisadas duas argilas de um mesmo perfil com
profundidades diferentes, denominadas J13 e J14, onde a propriedade analisada foi
a capacidade térmica (ρc) .
A capacidade térmica específica (ρc) é de vital importância para a
caracterização
térmica
do
material
cerâmico,
pois
com
esta
propriedade
conseguimos saber o quanto de energia térmica o material pode armazenar.
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Materiais e Métodos :
Analisamos as medidas de capacidade térmica específica (ρc) para duas
amostras, isto é, pequenos discos cerâmicos de cerca de 1,0 cm de diâmetro e,
aproximadamente, 300 µm foram queimados de 100 a 1200ºC variando sempre de
100ºC.
A determinação da capacidade térmica (ρc) é realizada através de um método
de subida da temperatura da amostra sob iluminação contínua. Considerando a
montagem experimental abaixo:
Figura 1- Montagem da medida de capacidade térmica específica
A amostra é pintada por uma fina camada de tinta preta (com espessura
desprezível à espessura da amostra), para garantir uma boa absorção superficial, e
em seguida colocada suspensa adiabaticamente dentro de um frasco “Dewar” no
qual foi estabelecido um vácuo, não permitindo que a radiação térmica alcance a
parede. Sob tais condições, o mecanismo principal de troca de calor é o de radiação.
O frasco tem uma entrada óptica que possibilita o aquecimento da amostra por meio
de um laser Hélio-Nêonio EG-G instruments modelo 651. Um termopar Barnat
modelo 600-1050 colocado no lado oposto ao iluminado, permite o monitoramento
da temperatura da amostra ao longo do tempo. Considerando-se que não haja
perdas de calor por condução nem por convecção no arranjo descrito acima, temos
que o aumento da temperatura é dado por:
−t
⎞
⎛ I 0τ ⎞ ⎛⎜
τ
⎟⎟ x 1 − e ⎟
∆T = ⎜⎜
⎟
⎝ ls ρc ⎠ ⎜⎝
⎠
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onde I0 é a intensidade da luz incidente, τ = lsρcp/(2H), a constante de tempo,
H = σT03, coeficiente de transferência de calor, sendo σ a constante de StefanBoltzmann e T0, a temperatura ambiente. Experimentalmente, o parâmetro τ é
determinado ajustando a equação aos resultados.
Resultados:
Os resultados mostram que há uma diminuição de ρc entre 400ºc e 900ºc. A
partir desta temperatura o ρc sobe até chegar a 1050ºc, temperatura a qual teve o
seu maior valor 1.40 J.cm-3k-1. Nesta temperatura a capacidade térmica é sensível à
faixa de transição entre a fase vítrea e a sinterização, onde ocorreu intensa
densificação das peças refletindo em um aumento acentuado de ρc.
A figura 2 apresenta a variação temporal de temperatura da amostra de argila
pertencente à camada J13.
Figura 2 – Aumento da temperatura, sob iluminação contínua, e descida da
temperatura com a interrupção do feixe luminoso.
A figura 3 apresenta a variação da capacidade térmica especifica em função
da temperatura, da camada J13.
.
5
1,40
1,30
-3
-1
ρc (J cm K )
1,35
1,25
1,20
1,15
1,10
110 300 400 500 600 800 850 900 950 1000 1050 1100 1200
Temperatura (ºC)
Figura 3 - Variação da capacidade térmica específica em função da
temperatura.
A figura 4 apresenta a variação temporal de temperatura da amostra de argila
pertencente a camada J14.
Figura 4 - Aumento da temperatura sob iluminação contínua, e descida de
temperatura com a interrupção do feixe luminoso.
A figura 5 apresenta a variação da capacidade térmica específica em função
da temperatura, da camada J14.
6
1,60
1,55
1,50
-3
-1
ρc (Jcm K )
1,45
1,40
1,35
1,30
1,25
1,20
0
200
400
600
800
1000
1200
0
Tem peratura ( C)
Figura 5- Variação da capacidade térmica específica em função da temperatura.
Os resultados mostram que há um aumento de ρc a partir de 600ºC, tendo
uma redução em 900ºC. A partir de 900ºC o ρc sobe, e começa a demonstrar um
comportamento cerâmico chegando aproximadamente a 1.56 J.cm-3k-1 em 1100ºC.
Conclusões:
Pode-se notar que em termos de armazenagem de energia térmica, há uma
certa semelhança entre os valores, mas são curvas bem diferentes, pois os dois
perfis têm constituições
diferentes, em relação aos elementos químicos
constituintes das amostras, que provocam interações químicas distintas entre os
dois perfis em função da queima.
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Referências Bibliográficas:
[1] J. Alexandre, Análise de Matéria-Prima e Composições de Massa Utilizada
em Cerâmicas Vermelhas, Tese de Doutorado, UENF, fevereiro de 2000.
[2] D. R. dos Santos, R. Toledo, R. T. Faria Jr, J.G. Carrio, M. G. da Silva, L.
T. Auler, H. Vargas, Evolved gas analysis of clay materials, Review of Scientific
Instruments, volume 74, nº 1.
Measure of Specific Thermal Capacity in Ceramics of the state of Rio de Janeiro the
Norte-Noroeste Region.
Abstract
Campos of Goytacazes city is considered as one of the biggest ceramic center
of Rio de Janeiro state, totalizing up 35% of production and 35% of the ceramic
industries of the state. The ceramic product quality in general is low, needing more
research in order to optimize the specific technology. In the present work, two clays
had been analyzed of a same clay deposit profile with different depths, called here
for J13 and J14. The analyzed property was the specific thermal capacity (ρc), of vital
importance for the thermal characterization of the ceramic products.
Key – Words : Specific Thermal Capacity, Ceramic Red and Photothermal
Techniques.