CIENCIAS DE LOS MATERIALES I

TEMA 7: PROPIEDADES TRMICAS

ING. JONATHAN SNCHEZ PAREDES

a) Reconocer las propiedades trmicas en los principales materiales de ingeniera.

b) Analizar la importancia de los efectos trmicos en el funcionamiento de los materiales.

c) Identificar los materiales con mayor conductividad trmica y los aislantes, para darles el mejor uso posible.

OBJETIVOS:

CONTENIDO: 1. Propiedades Trmicas. 2. Capacidad Calorfica. 3. Dilatacin Trmica. 4. Conductividad Trmica. 5. Choque Trmico.

1. PROPIEDADES TRMICAS

A continuacin se tratarn varias propiedades que definen el comportamiento trmico de los materiales, indicando cmo responden a la aplicacin de calor.

Tanto la capacidad calorfica como el calor especfico indican la capacidad del material para absorber calor. La energa aportada al material desde una fuente externa de calor produce un incremento de la vibracin trmica de los tomos del material.

2. CAPACIDAD CALORFICA

Capacidad calorfica, C, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1 K (= 1 C), siendo:

=

Donde Q es la cantidad de calor que produce un cambio de temperatura T.

Normalmente la capacidad calorfica se especifica en base a 1 tomo-gramo (para elementos) o 1 mol (para compuestos), en unidades de J/(tomo-gramo K) o J/(mol K). Una alternativa muy comn es el calor especfico, por unidad de masa, que se indica en J/(kg K), en letras minsculas.

=

Hay dos modos de medir la capacidad calorfica (o el calor especfico). Uno, manteniendo el volumen constante, Cv(cv), y el otro, manteniendo constante la presin, Cp(cp). El valor de Cp es siempre mayor que el de Cv, pero la diferencia es pequea para la mayora de los slidos a temperatura ambiente o inferiores.

A temperaturas muy bajas, Cv aumenta bruscamente desde cero a 0 K segn:

= 3 Dependencia con la temperatura de la capacidad calorfica a volumen constante, Cv. El valor de Cv aumenta bruscamente desde una temperatura prxima a 0 K, y por encima de la temperatura de Debye (D) alcanza un valor asinttico de aprox. 3R. (R es la cosntante universal de los gases).

Debe destacarse que existen otros mecanismos de absorcin de energa, aparte de las vibraciones atmicas, que pueden contribuir al valor de la capacidad calorfica. Por ejemplo, la absorcin de energa por parte de los electrones libres en metales.

3. DILATACIN TRMICA Un aumento de la temperatura origina una mayor vibracin trmica de los tomos del material y un aumento de la distancia media de separacin entre tomos adyacentes. En general, la dimensin global del material en una determinada direccin, L, aumentar al hacerlo la temperatura, T. Esta relacin se refleja mediante el coeficiente de dilatacin lineal, :

=

Donde las unidades de a son mm/(mm-C).

Hay que considerar que los coeficientes de dilatacin lineal de los cermicos y vidrios son generalmente inferiores a los de los metales, que son a su vez menores que los de los polmeros.

Los cermicos y vidrios generalmente poseen mayores energas de enlace asociadas, en relacin a sus enlaces de tipo inico y covalente. El resultado es un pozo de energa ms simtrico, con un menor incremento de la distancia interatmica a medida que aumenta la temperatura, como se ve:

La mayor fortaleza del enlace asociada a curvas de energa ms profundas se corresponde con mayores temperaturas de fusin. Estas tiles correlaciones con la energa de enlace se han recogido en la Tabla:

Una parte importante de la microestructura de algunas vitrocermicas son los cristales de eucriptita . La eucriptita (Li02 Al203 Si02) posee un coeficiente de dilatacin negativo, lo que ayuda a que el material tenga un bajo coeficiente de dilatacin global y, por tanto, excelente resistencia al choque trmico.

EJEMPLO: Un tubo de Al203 de 0.1 m de longitud, para un homo, se calienta desde temperatura ambiente (25C) hasta 1000C. Suponiendo que el tubo no se halla sometido a compresin, calclese el incremento de longitud que provoca dicho calentamiento.

4. CONDUCTIVIDAD TRMICA El anlogo de la difusividad, D , es la conductividad trmica, k, definida mediante la ley de Fourier.

= ( )

Donde dQ/dt es la velocidad de transferencia de calor a travs de un rea A , debido a un gradiente de temperatura dT/dx. Las unidades de k son J/(s.m.K)

La conduccin de calor en los materiales para ingeniera implica dos mecanismos principales, las vibraciones atmicas y la conduccin de electrones libres. En el caso de los malos conductores elctricos, como los cermicos y los polmeros, la energa trmica es transportada principalmente mediante vibracin de los tomos.

Para los metales, elctricamente conductores, la energa cintica de los electrones de conduccin (o libres) puede ser un mecanismo de conduccin de calor ms eficiente que las vibraciones atmicas.

Conductividad trmica de diferentes cermicos en funcin de la temperatura.

Al aumentar la vibracin de la red cristalina a medida que aumenta la temperatura, generalmente disminuye la conductividad trmica. De forma similar, el desorden estructural creado por las impurezas qumicas da como resultado un descenso de la conductividad trmica. En consecuencia, las aleaciones metlicas tienden a presentar menor conductividad trmica que los metales puros.

Estas vibraciones de la red, sin embargo, tambin se comportan como ondas, e interfieren de forma similar en el desorden estructural. De todo ello se deriva que los vidrios tendrn en general menor conductividad trmica que los cermicos cristalinos de la misma composicin qumica.

La conductividad trmica de los cermicos y los polmeros disminuir a medida que aumente la temperatura debido al aumento del desorden provocado por el mayor grado de vibracin atmica.

En algunos cermicos, la conductividad podra eventualmente comenzar a aumentar con posteriores incrementos de temperatura debido a transferencia de calor por radiacin. A travs de los cermicos pueden transmitirse cantidades significativas de radiacin infrarroja, por lo que tienden a ser pticamente transparentes.

La conductividad trmica de los cermicos y polmeros puede ser reducida an en mayor medida por la presencia de porosidad. El gas que hay en los poros posee una conductividad trmica muy baja, lo que proporciona a la estructura una pequea conductividad trmica global. Entre los ejemplos ms destacados estn las sofisticadas losetas de aislamiento del transbordador espacial y los recipientes para bebidas de poliestireno expandido.

5. CHOQUE TRMICO El choque trmico puede definirse como la fractura (parcial o completa) del material como resultado de un cambio de temperatura (normalmente un enfriamiento brusco). El mecanismo del choque trmico puede involucrar tanto a la dilatacin trmica como a la conductividad trmica.

En primer lugar, puede producirse un fallo debido a tensiones si se impide la expansin trmica uniforme. En segundo lugar, los cambios bruscos de temperatura producen temporalmente gradientes de temperatura en el material, que originan tensiones residuales internas.

Ms de una vez ha fallado un homo debido a que en el diseo no se ha considerado la expansin de los componentes refractarios durante el calentamiento. Tambin es preciso realizar estas mismas consideraciones respecto del coeficiente de dilatacin al trabajar con un sustrato y el recubrimiento correspondiente en el caso de tecnologas que empleen recubrimientos vtreos sobre cermicos, o esmaltes (recubrimientos vtreos sobre metales).

El enfriamiento rpido de la superficie en una pared a alta temperatura viene acompaado por la aparicin de tensiones de traccin en la superficie. La superficie se contrae ms que el interior, que est todava relativamente caliente. En consecuencia, la superficie empuja al interior, comprimindolo, y al mismo tiempo el interior tira de la superficie, sometindola a traccin.

La capacidad de un material para resistir un cambio de temperatura dado depende de una combinacin compleja de coeficiente de dilatacin, conductividad trmica, geometra de la pieza y fragilidad inherente del material.

Enfriamientos bruscos que dan lugar al fallo por choque trmico.

Fuentes: Internet Wikipedia. Introduccin a la ciencia e ingeniera de materiales

Shackelford. Fundamentos de ciencia en ingeniera de materiales

W. Smith Ciencia e Ingeniera de los amteriales Askeland 6Ed.

GRACIAS POR SU ATENCIN

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