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Propriedades físicas dos materiais

As propriedades físicas descrevem como um material se comporta perante a massa e o volume, o calor, a corrente elétrica, o campo magnético e a luz, sem que a sua composição se altere. Sabê-las definir, medir e comparar — do cálculo da massa volúmica ρ = m/V à distinção entre condutores e isoladores — permite selecionar com rigor o material certo para cada objeto. Sendo Materiais e Tecnologias uma disciplina de opção do 12.º ano, é avaliada exclusivamente por avaliação interna (sem Exame Final Nacional), de forte componente experimental e de projeto.

4 secções~16 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·0999 / 17

Perfil de exame

Apropriação e Reflexão: definir com rigor as propriedades físicas dos materiaisInterpretação e Comunicação: comparar materiais quanto às propriedades físicas e selecioná-losAplicar a massa volúmica no cálculo de massa e de volume de peças

Operadores:definecaracterizadistingueidentificarelacionaselecionajustificacomparacalculaexplica

nível básico

Reconhecer e definir as principais propriedades físicas (massa volúmica, condução térmica e elétrica, magnetismo e propriedades óticas), distinguir condutores de isoladores e dar exemplos em cada uma das quatro classes de materiais.

nível avançado

Calcular a massa e o volume a partir da massa volúmica, estimar dilatações térmicas com ΔL = α·L₀·ΔT e fundamentar, quantitativa e criticamente, a seleção de um material integrando várias propriedades físicas.

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Conteúdo · 4 secções

Propriedades físicas dos materiais

Massa volúmica (densidade) e leveza#

BaseAE-materiais-e-tecnologias-prop-fisicas

Massa volúmica de materiais correntes

Fig. 1Fig. 1 — Massa volúmica (g/cm³): espuma 0,03; madeira 0,6; PP 0,9; vidro 2,5; alumínio 2,7; aço 7,85; chumbo 11,3. A água vale 1,0 g/cm³ — abaixo desse valor (espuma, madeira, PP) o material flutua.

A massa volúmica (ou densidade), representada por ρ, é a massa contida numa unidade de volume: ρ = m/V. No SI mede-se em kg/m³, mas na prática usa-se g/cm³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³). A água, referência habitual, tem ρ = 1 g/cm³.

É uma propriedade intensiva: não depende da quantidade nem da forma da peça, apenas do material (da sua composição e estrutura interna). Uma peça de alumínio grande e uma pequena têm a mesma massa volúmica.

Ordenando materiais correntes (g/cm³): espuma ≈ 0,03 « quase só ar » < madeira ≈ 0,6 < PP 0,9 < água 1,0 < vidro 2,5 ≈ alumínio 2,7 « o metal leve » < aço 7,85 < chumbo 11,3. Os metais são densos, os polímeros leves e as espumas ultraleves.

Regra de flutuação: um material flutua num líquido se a sua massa volúmica for menor do que a do líquido. Como o PP (0,9) é menos denso do que a água (1,0), flutua — princípio usado na separação de plásticos na reciclagem.

No design, a « leveza » traduz-se em menos material, transporte mais barato e produtos portáteis. Como m = ρ·V, para o mesmo volume escolher alumínio ou compósitos em vez de aço reduz muito a massa (bicicletas, aviões, malas).

A « densidade relativa » é o quociente ρ_material / ρ_água (adimensional) e, expressa em g/cm³, coincide numericamente com a massa volúmica; por isso um material com densidade relativa < 1 flutua na água.

\rho = \dfrac{m}{V}

massa volúmica (densidade)

ρ é a massa m por unidade de volume V. Reorganizando, obtém-se m = ρ·V e V = m/ρ. Unidade SI: kg/m³; unidade prática: g/cm³, com 1 g/cm³ = 1000 kg/m³. A água tem ρ = 1 g/cm³.

Exemplo resolvido

Massa de uma base de candeeiro em alumínio

A base maciça de um candeeiro é um paralelepípedo de alumínio com 10 cm × 10 cm × 2 cm. Sabendo que a massa volúmica do alumínio é 2,7 g/cm³, determine a massa da base e compare-a com a mesma base executada em aço (7,85 g/cm³).

Calcular o volume
V = comprimento × largura × altura = 10 × 10 × 2 = 200 cm³ (equivalente a 0,2 L).
Massa em alumínio
Da definição ρ = m/V resulta m = ρ·V = 2,7 g/cm³ × 200 cm³ = 540 g = 0,54 kg.
$m = \rho \, V$
Massa em aço
m = 7,85 g/cm³ × 200 cm³ = 1570 g ≈ 1,57 kg.
Comparar
A base em aço tem 1570 ÷ 540 ≈ 2,9 vezes a massa da de alumínio, exatamente a razão das massas volúmicas (7,85 ÷ 2,7 ≈ 2,9). A leveza justifica o alumínio quando importa reduzir o peso.

Resultado: 540 g em alumínio; 1570 g (≈ 2,9×) em aço.

Erros frequentes

Confundir massa com peso: a massa (kg) é a quantidade de matéria; o peso (N) é a força P = m·g. A massa volúmica usa a massa, não o peso — não é « peso específico ».
Misturar unidades: usar o volume em cm³ mas manter ρ em kg/m³ (ou vice-versa). Deve manter-se a coerência — 1 g/cm³ = 1000 kg/m³.
Pensar que « mais denso » significa « mais resistente ». A densidade não mede a resistência mecânica: a espuma é leve mas frágil e o chumbo é denso mas mole.
Concluir que « o aço afunda, logo um navio de aço afunda ». A flutuação depende da massa volúmica MÉDIA do corpo (incluindo o ar interior) e da impulsão, não apenas do material do casco.

Revisão ativa

Uma peça maciça de latão (ρ = 8,4 g/cm³) tem um volume de 50 cm³. Calcule a sua massa e indique, justificando pela regra da densidade, se flutuaria na água.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Propriedades térmicas: condução, dilatação e fusão#

PadrãoAE-materiais-e-tecnologias-prop-fisicas

Dilatação térmica: alumínio e aço

Fig. 2Fig. 2 — Alongamento de um perfil de 2,0 m: o alumínio (α = 23×10⁻⁶ °C⁻¹) dilata mais do que o aço (α = 12×10⁻⁶ °C⁻¹). Para ΔT = 50 °C, o alumínio alonga 2,3 mm e o aço 1,2 mm.

Condutividade térmica é a capacidade de conduzir calor. Os metais são bons condutores (os eletrões livres transportam a energia): cobre ≈ 400, alumínio ≈ 230, aço ≈ 50 W/(m·K). Os polímeros, a madeira, o vidro e o ar são isoladores (vidro ≈ 1; madeira ≈ 0,15; ar ≈ 0,025 W/(m·K)). Por isso uma panela tem corpo metálico e pega de plástico ou madeira.

À mesma temperatura, um objeto metálico « parece » mais frio ao toque do que um de madeira porque retira o calor da mão mais depressa: a sensação térmica depende da rapidez de condução, não da temperatura real (ambos estão à temperatura ambiente).

Quase todos os materiais dilatam ao aquecer. A dilatação linear é ΔL = α·L₀·ΔT, em que α é o coeficiente de dilatação linear (°C⁻¹): alumínio ≈ 23×10⁻⁶, cobre ≈ 17×10⁻⁶, aço ≈ 12×10⁻⁶, vidro comum ≈ 9×10⁻⁶. Os polímeros dilatam muito mais (≈ 100 a 200×10⁻⁶) e o vidro borossilicato muito menos (≈ 3×10⁻⁶).

A dilatação obriga a prever « juntas de dilatação » e folgas (pontes, carris, fachadas, caixilharias) e cuidado ao unir materiais com α diferentes. O vidro borossilicato (tipo Pyrex) resiste ao choque térmico precisamente por dilatar pouco.

O ponto de fusão / temperatura de amolecimento condiciona o uso e o fabrico. Cerâmicos: altíssimo (« refratários » — a alumina funde ≈ 2050 °C) → fornos e isolamentos térmicos. Metais: intermédio (alumínio 660 °C; aço ≈ 1500 °C). Polímeros: baixo — os termoplásticos amolecem entre ≈ 100 e 250 °C, o que permite moldá-los por injeção.

Os termoendurecíveis (baquelite, resinas epóxi) NÃO fundem: aquecidos, degradam-se e carbonizam. Só os termoplásticos amolecem e voltam a solidificar, o que os torna moldáveis e recicláveis por fusão.

\Delta L = \alpha \, L_0 \, \Delta T

dilatação térmica linear

α é o coeficiente de dilatação linear (°C⁻¹), L₀ o comprimento inicial e ΔT a variação de temperatura. Os polímeros têm α muito maior do que os metais; os cerâmicos, muito menor.

Exemplo resolvido

Dilatação de um perfil de alumínio

Um perfil de alumínio com 2,0 m de comprimento (medido a 20 °C) integra uma fachada. No verão a sua temperatura pode atingir 70 °C. Com α = 23×10⁻⁶ °C⁻¹, calcule o alongamento do perfil e justifique a necessidade de juntas de dilatação.

Variação de temperatura
ΔT = 70 − 20 = 50 °C.
Aplicar a fórmula
Usa-se a dilatação linear ΔL = α·L₀·ΔT.
$\Delta L = \alpha \, L_0 \, \Delta T$
Cálculo
ΔL = 23×10⁻⁶ °C⁻¹ × 2,0 m × 50 °C = 2,3×10⁻³ m = 2,3 mm.
Interpretar
Se o perfil estiver encastrado sem folga, os 2,3 mm impedidos geram tensões internas elevadas que o podem empenar. Preveem-se juntas de dilatação para acomodar o movimento.

Resultado: ΔL ≈ 2,3 mm — daí a necessidade de juntas de dilatação.

Erros frequentes

Confundir calor com temperatura, ou dizer que « o metal está mais frio do que a madeira »: à mesma temperatura ambiente estão ambos à mesma temperatura; o metal apenas conduz o calor mais depressa.
Usar α sem a potência de dez (23 em vez de 23×10⁻⁶), obtendo dilatações absurdas (metros em vez de milímetros). O coeficiente é muito pequeno.
Afirmar que « todos os plásticos derretem »: os termoendurecíveis não fundem, degradam-se; apenas os termoplásticos amolecem com o calor.
Misturar unidades de comprimento na dilatação: introduzir L₀ em metros e apresentar ΔL em milímetros sem converter (1 m = 1000 mm).

Revisão ativa

Um carril de aço com 12 m de comprimento (α = 12×10⁻⁶ °C⁻¹) sofre uma variação de temperatura de 40 °C entre o inverno e o verão. Calcule a variação de comprimento e explique por que se deixam folgas entre carris.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Propriedades elétricas, magnéticas e óticas#

PadrãoAE-materiais-e-tecnologias-prop-fisicas

Condutores e isoladores elétricos

Fig. 3Fig. 3 — Nos metais, os eletrões livres conduzem a corrente (condutores); nos polímeros e nos cerâmicos, os eletrões estão presos às ligações (isoladores).

Condutividade elétrica: os metais são condutores, graças aos eletrões livres da ligação metálica (o « mar de eletrões »); os polímeros e os cerâmicos são isoladores (dielétricos), pois os eletrões estão presos às ligações. Daí um cabo ter núcleo de cobre e revestimento de PVC.

Entre os condutores e os isoladores existem os semicondutores (silício, germânio), de condutividade intermédia e controlável — a base dos circuitos integrados e da eletrónica. Há ainda materiais especiais, como os polímeros condutores e os supercondutores (resistência nula a baixas temperaturas).

Propriedades magnéticas: apenas alguns materiais são « ferromagnéticos » — o ferro, o níquel, o cobalto e ligas como o aço, que são atraídos por um íman e podem ser imanados. A maioria dos metais (alumínio, cobre, ouro) NÃO é magnética.

O magnetismo é útil na indústria e no quotidiano: separação magnética na reciclagem (o íman recolhe os metais ferrosos), motores, altifalantes e fechos de porta. O « teste do íman » distingue o aço comum (magnético) do aço inoxidável austenítico (praticamente não magnético).

Propriedades óticas: transparência (deixa passar a luz e ver através — vidro, PMMA/acrílico, PET), translucidez (passa luz difusa, sem imagem nítida — vidro fosco, papel vegetal) e opacidade (não deixa passar — metais, madeira, cerâmicos). Os metais são opacos e refletores (« brilho metálico ») porque os eletrões livres refletem a luz.

A cor resulta da absorção seletiva da luz (pigmentos, corantes) e o brilho depende do acabamento da superfície. Estas propriedades óticas são decisivas na estética e na função (a transparência de uma garrafa PET, o brilho do aço polido, a cor de um objeto).

Exemplo resolvido

Escolher materiais para um cabo elétrico

Pretende-se conceber um cabo elétrico doméstico flexível. Escolhendo entre cobre, PVC e alumina (cerâmica), indique e justifique, pelas propriedades físicas, o material do (a) núcleo condutor e do (b) revestimento.

Requisito do núcleo
Conduzir a corrente com poucas perdas → elevada condutividade elétrica → um metal. O cobre é um excelente condutor (melhor do que o alumínio) e é dúctil (estira-se em fios finos).
Requisito do revestimento
Isolar eletricamente e ser flexível e moldável → um polímero. O PVC é isolador, flexível, económico e fácil de extrudir sobre o fio.
Excluir a alumina
A alumina é isoladora, mas rígida e frágil — não serve para um revestimento que tem de dobrar. Os cerâmicos usam-se noutros isolamentos (por exemplo, os isoladores de porcelana das linhas de alta tensão).
Decisão
Núcleo de cobre (condutor e dúctil) + revestimento de PVC (isolador e flexível).

Resultado: Núcleo de cobre; revestimento de PVC (a alumina é excluída por ser frágil).

Erros frequentes

Pensar que « todos os metais são magnéticos ». Só os ferrosos (ferro, níquel, cobalto) o são; o alumínio, o cobre e o aço inoxidável austenítico não são atraídos pelo íman.
Confundir condutividade térmica com elétrica. Embora nos metais andem geralmente juntas, são propriedades distintas — há isoladores elétricos que conduzem algum calor (e o inverso).
Trocar « translúcido » com « transparente »: o translúcido deixa passar luz mas não permite ver a imagem nítida (vidro fosco); o transparente deixa ver através (vidro liso).
Chamar « plástico » ao vidro por ser transparente. O vidro é um cerâmico (amorfo), não um polímero; a transparência não define a classe do material.

Revisão ativa

Numa central de reciclagem, os resíduos passam sob um íman e, mais à frente, por um sistema de correntes induzidas (correntes de Foucault). Explique que materiais são recolhidos pelo íman e como se separam depois o alumínio e os plásticos.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Comparação entre classes de materiais#

AprofundamentoAE-materiais-e-tecnologias-prop-fisicas

Propriedades físicas das quatro classes de materiais

Fig. 4Fig. 4 — Comparação das propriedades físicas das quatro classes: os metais são densos e condutores; os polímeros, leves e isoladores; os cerâmicos, refratários e frágeis; os compósitos, leves e resistentes.

Massa volúmica por classe: os polímeros (0,9–1,4 g/cm³) e muitos compósitos (1,5–2,0) são leves; os cerâmicos têm valores médios (2,3–3,9); os metais são densos (2,7–11,3; aço 7,85). A relação resistência/peso favorece as ligas leves e os compósitos.

Condução: os metais conduzem o calor e a eletricidade (condutores); os polímeros e os cerâmicos isolam. Muitos produtos exploram as duas classes — corpo metálico com pega plástica, núcleo de cobre com bainha de PVC.

Temperatura: os cerâmicos suportam as temperaturas mais altas (refratários); os metais, valores intermédios; os polímeros, os mais baixos (amolecem ou degradam-se). Isto define onde cada classe pode ser usada e como se fabrica.

Magnetismo e ótica: só os ferrosos são magnéticos; os metais são opacos e brilhantes, ao passo que o vidro e alguns polímeros (PMMA, PET) são transparentes. Cada classe tem, assim, um « perfil » próprio de propriedades físicas.

Não existe material perfeito: escolher é sempre um compromisso (« trade-off ») entre leveza, condução, temperatura, aparência e custo. Recorre-se a uma tabela ou matriz de propriedades para comparar as classes e decidir; muitas vezes combinam-se materiais (compósitos e produtos multimaterial).

Perfil-resumo: metálicos = densos, condutores, dúcteis e magnéticos (os ferrosos); poliméricos = leves, isoladores, moldáveis e de baixo ponto de amolecimento; cerâmicos = duros, frágeis, isoladores e refratários; compósitos = leves e resistentes, anisótropos, reunindo as propriedades da matriz e do reforço.

Exemplo resolvido

Selecionar a classe de material para o punho de uma panela

O punho (pega) de uma panela deve ser leve, isolar o calor (não queimar a mão), isolar a eletricidade e resistir a temperaturas moderadas do fogão. Comparando as quatro classes pelas suas propriedades físicas, indique e justifique a classe mais adequada.

Leve
Baixa massa volúmica → polímeros (0,9–1,4 g/cm³) e compósitos; exclui-se, à partida, o metal denso.
Isolar o calor
Baixa condutividade térmica → polímeros e cerâmicos (os metais conduzem o calor e queimariam a mão).
Isolar a eletricidade e resistir ao calor moderado
Isolador elétrico + suportar o calor sem amolecer → um termoendurecível (por exemplo, baquelite / resina fenólica), que não funde.
Decisão
A classe polimérica, em particular um termoendurecível, reúne leveza + isolamento térmico e elétrico + resistência ao calor moderado. Confirma-se no produto real: as pegas de panela são frequentemente de baquelite.

Resultado: Classe polimérica (um termoendurecível, tipo baquelite).

Erros frequentes

Procurar « o melhor material » em absoluto. A escolha é sempre relativa à função e envolve compromissos — nenhum material é ótimo em todas as propriedades ao mesmo tempo.
Tomar as tendências por leis absolutas: « os cerâmicos nunca conduzem » (há cerâmicas técnicas condutoras de calor) ou « os plásticos não resistem ao calor » (há termoplásticos técnicos que resistem bem). As tendências são um guia, não uma regra rígida.
Confundir as classes — chamar « plástico » ao vidro ou « cerâmica » a qualquer material duro. Convém identificar a classe pela natureza e pela ligação química do material.
Comparar apenas uma propriedade (por exemplo, só a densidade) e ignorar as restantes exigidas pela função, chegando a uma escolha errada.

Revisão ativa

Compare os metais e os polímeros quanto à massa volúmica, à condutividade elétrica e ao ponto de fusão e indique, justificando, que classe escolheria para o corpo de uma ficha elétrica e que classe para os pinos de contacto.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Materiais e Tecnologias — 12.º ano

Propriedades físicas dos materiais

4 secções~16 min de leitura3 competênciasNível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

Propriedades físicas dos materiais

Pontos-chave

Massa de uma base de candeeiro em alumínio

Pontos-chave

Dilatação de um perfil de alumínio

Pontos-chave

Escolher materiais para um cabo elétrico

Pontos-chave

Selecionar a classe de material para o punho de uma panela

Fontes

Propriedades físicas dos materiais

Pontos-chave

Massa de uma base de candeeiro em alumínio

Pontos-chave

Dilatação de um perfil de alumínio

Pontos-chave

Escolher materiais para um cabo elétrico

Pontos-chave

Selecionar a classe de material para o punho de uma panela

Fontes