Efeito barocalórico em compósitos de polidimetilsiloxano com grafite natural

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Imamura, William, 1991-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/3458
Resumo: Orientadores: Alexandre Magnus Gomes Carvalho, Éder Sócrates Najar Lopes
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spelling Efeito barocalórico em compósitos de polidimetilsiloxano com grafite naturalBarocaloric effect in natural graphite/polydimethylsiloxane compositesCompósitosPolidimetilsiloxanoGrafitaCompositesPoly(dimethylsiloxane)GraphiteOrientadores: Alexandre Magnus Gomes Carvalho, Éder Sócrates Najar LopesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A refrigeração do estado sólido baseada em efeito i-calórico é considerada uma alternativa para substituir os sistemas convencionais de refrigeração baseados em compressão de vapor. Em relação ao efeito barocalórico, resultados recentes têm mostrado que elastômeros são candidatos promissores à refrigeração ao redor da temperatura ambiente. No entanto, tem-se como desvantagem o fato de elastômeros serem materiais isolantes, podendo comprometer aplicações práticas, uma vez que boas propriedades de troca térmica são desejáveis para se operar com mais eficiência. Diante disso, foi investigado o efeito barocalórico em compósitos de polidimetilsiloxano (PDMS) com grafite natural, em diferentes proporções mássicas. Os resultados mostraram-se promissores à refrigeração do estado sólido baseada no efeito barocalórico, pois os compósitos combinaram diferentes propriedades de interesse. Ao se adicionar grafite natural ao PDMS, a variação adiabática de temperatura (?T_S) e a variação isotérmica de entropia (?S_T) dos compósitos reduziram quando comparados aos do PDMS sem grafite natural. Para 323 K e variação de pressão de 390 MPa, por exemplo, o PDMS sem grafite natural apresentou ?T_S = 30,6 K e ?S_T = -130 J kg-1 K-1, enquanto o PDMS com 40%p de grafite natural obteve ?T_S = 20,2 K e ?S_T = -68 J kg-1 K-1, porém o ganho em difusividade térmica foi de 1,18(2)×10-7 para 7,3(5)×10-7 m2 s-1, o que correspondeu a um aumento de ~500%. Nas várias figuras de mérito elaboradas, os compósitos de PDMS com grafite natural foram apontados como melhores ou similares dentre os diferentes materiais barocalóricos da literatura. Também foram desenvolvidos dois modelos termodinâmicos. O primeiro modelo explicou por que os elastômeros apresentam alto efeito barocalórico, mesmo na ausência de transição de fase. A expressão encontrada foi ??T?_S?(T???_b?_f)/??_0 C?_(?_b ) (1-??_b?_f/2B), que concluiu a preponderância e a importância do coeficiente de expansão térmica aos altos efeitos barocalóricos dos elastômeros. Já o segundo modelo termodinâmico propôs um método para estimar a variação adiabática de temperatura (?T_S) a partir de processos não adiabáticos. Com poucos dados de variação de temperatura (?T) em diferentes taxas (r) de variação do campo intensivo, a expressão ?T= ??T?_S-(?_1 [?_3-(?_2+?_3 )Exp(-(?_2 ?i)/r)+?_2 Exp(-(?(??_2+?_3)?i)/r)])/(?_2 (?_2+?_3)) pode ser ajustada matematicamente aos dados experimentais para diferentes efeitos i-calóricos e estimar o ??T?_SAbstract: Solid-state cooling based on i-caloric effects is considered a viable alternative to replace the conventional vapor-compression refrigeration systems. Regarding barocaloric materials, recent results show that elastomers are promising candidates for cooling applications around room-temperature. However, elastomers are insulating materials, which is a disadvantage that may compromise practical applications, since heat transfer properties are typically desirable for more efficiency. Therefore, the barocaloric effect was investigated in natural graphite/polydimethylsiloxane (PDMS) composites, in different mass proportions. The results were promising for solid-state cooling based on barocaloric effect, because the composites combined different desired properties. Adding natural graphite to PDMS, the adiabatic temperature change (?T_S) and the isothermal entropy change (?S_T) of the composites reduced when compared to those of the pure PDMS. At 323 K and 390 MPa of pressure change, for example, the pure PDMS presented ?T_S = 30.6 K and ?S_T = -130 J kg-1 K-1, while the PDMS with 40%wt of natural graphite presented ?T_S = 20.2 K e ?S_T = -68 J kg-1 K-1, but the gain in thermal diffusivity was from 1,18(2)×10-7 to 7,3(5)×10-7 m2 s-1, which was equivalent to an increase of ~ 500%. In the various developed figures of merit, the natural graphite/PDMS composites were identified as better or similar among the different barocaloric materials in the literature. Two thermodynamic models were also developed. The first model explained why elastomers have high barocaloric effect, even in the absence of phase transition. The found expression brought ??T?_S?(T???_b?_f)/??_0 C?_(?_b ) (1-??_b?_f/2B), which concluded the preponderance and importance of the coefficient of thermal expansion to the high barocaloric effects of elastomers. The second thermodynamic model proposed a method to estimate the adiabatic temperature change (?T_S) from non-adiabatic measurements. With few temperature change data (?T) at different intensive field change rates (r), the expression ?T= ??T?_S-(?_1 [?_3-(?_2+?_3 )Exp(-(?_2 ?i)/r)+?_2 Exp(-(?(??_2+?_3)?i)/r)])/(?_2 (?_2+?_3 ) ) can be mathematically fitted to experimental data for different i-caloric effects and it can estimate ?T_SDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutor em Engenharia MecânicaCAPES88882.143507/2017-01[s.n.]Carvalho, Alexandre Magnus Gomes, 1980-Lopes, Éder Sócrates NajarMuniz, André RodriguesMady, Carlos Eduardo KeutenedjianRadovanovic, EduardoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASImamura, William, 1991-20202020-05-04T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (94 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/3458IMAMURA, William. Efeito barocalórico em compósitos de polidimetilsiloxano com grafite natural. 2020. 1 recurso online (94 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/3458. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1238520Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-04-06T13:25:49Zoai::1238520Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2022-04-06T13:25:49Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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