65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 4. Física da Matéria Condensada

Efeito Termo-elástico Induzido via Laser

Vinicius Granatto Camargo - Depto.de Física – UEM Luis Carlos Malacarne - Prof. Dr./ Orientador - Depto.de Física – UEM

INTRODUÇÃO:

O efeito fototérmico consiste na transformação de parte da energia transportada por uma onda eletromagnética em calor. O processo de propagação do calor gerado e os efeitos termo-elásticos induzidos é de interesse na produção e caracterização de materiais. Um abordagem analítica ou numérica do problema torna-se desta maneira de grande interesse. Neste sentido usamos o software COMSOL multiphysics e o software Mathematica na obtenção da solução da equação de difusão.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Nosso objetivo primordial foi obter, utilizando o Mathematica, a solução para a equação de difusão, analisando três modelos de absorção diferentes: alta absorção, baixa absorção e baseado na Lei de Beer. A solução analítica somente é possível com algumas aproximações. Com o intuito de verificar a validade das aproximações, comparamos as soluções obtidas com simulações numéricas feitas no COMSOL.

MÉTODOS:

Por meio do COMSOL Multiphysics simulamos uma distribuição de temperatura em função do tempo considerando uma fonte de calor que produzia um feixe de excitação gaussiano. Utilizamos casos amostrais em que as propriedades da amostra proviam de materiais previamente estudados pelo grupo de efeitos fototérmicos do departamento, as quais tinham diferentes coeficientes de absorção óptica. Recolhemos os dados obtidos e por meio de gráficos da temperatura em função do tempo, da coordenada azimutal e da coordenada radial, comparamos com os resultados obtidos a partir da solução analítica alcançada por intermédio do software Mathematica.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A partir da simulação da transferência de calor em diferentes tipos de amostras e dos gráficos construídos em seguida, conseguimos analisar o perfil de temperatura gerado por uma fonte gaussiana em amostras com diferentes coeficientes de absorção óptico. Identificamos que a temperatura decai em função da coordenada radial e azimutal, com exceção no caso de baixa absorção em que a coordenada azimutal não interfere no decaimento. Também caracterizamos o comportamento de alta absorção, em que o feixe de excitação é absorvido quase que inteiramente na superfície da amostra, e o modelo baseado na lei de Beer.

CONCLUSÕES:

A solução analítica para a equação de difusão de calor para os três modelos propostos foi validada através da simulação numérica feita no COMSOL Multiphysics. Verificamos também que o caso de baixa absorção e alta absorção, que são de extrema importância experimental, são um caso particular da Lei de Beer quando o coeficiente de absorção óptico assume valores particulares.

Palavras-chave: Difusão de calor, Análise computacional, Simulação computacional.