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PROPI EDADES TRMI CAS DE LOS MATERI ALES

Se sabe que los mater iales cambian sus propiedades con la t emperatura. En lamayora de los casos las propiedades mecnicas y f sicas dependen de la T a lacual el mater ial se usa o de la T a la cual se somete el mater ial durant e suprocedimient o.

CAPACI DAD CALRI CA:

Un mat er ial slido cuando se calient a, exper imenta un increment o en laT, lo que signif ica que algo de energa ha sido absorbida. La capacidadcalr ica es una propiedad que es indicat iva de la habilidad de un mater ial paraabsorber calor de los alr ededores. Esta represent a la cant idad de energa

requer ida para pr oducir un aument o de la unidad de T (1C 1K).

En t rminos matemt icos la capacidad calr ica C se expr esa como:

C = dQ donde dQ es la energa requer ida para producir un dT (dif erencial) ocambio de t emperat ura.

Normalmente la capacidad calr ica se expresa por mol de mat er ial (J / molk) (cal/ molK). Tambin se usa el t ermino calor especif ico c, que representa lacapacidad calr ica por unidad de masa (J / kgK) (cal/ kgK).

Hay realment e dos f ormas en las cuales se puede medir esta propiedad, deacuerdo a las condiciones ambient ales que acompaan la t ransf erencia de calor.Una es la capacidad calr ica mient ras se mant iene el volumen const ant e, Cv, yel ot ro es mant eniendo la presin ext er ior const ant e, denot ada por Cp. Lamagnit ud de Cp es mayor que la de Cv, pero est a dif erencia es muy pequeapara la mayora de slidos a T ambient al y por debajo.

Capacidad Calr ica Vibr acional:

En la mayor a de los slidos el pr incipal modo de asimilacin de energa t rmicaes por el incremento de energa vibr acional de los tomos. Los t omos en losmater iales slidos est n vibr ando cont inuament e a muy alt a f recuencia y conrelat ivamente pequeas amplit udes. Las vibr aciones de t omos adyacent es sonacopladas en vir t ud de los enlaces atmicos. Esas vibraciones son coordinadasde t al f orma que se producen ondas que viaj an en la red. Est as ondas puedencompararse con ondas elst icas con ondas sonoras, con pequeas longit udes

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Figur a 2. a) Gr f ica de energa pot encial ver sus dist ancia int erat mica,demost rando el increment o en la separacin con la t emperatura de equil ibr io.Con el calentamiento, la separacin int erat mica se increment a desde r0 hasta

r 1, r 2 y asi sucesivamente. b) Para una curva de energa potencias versusdist ancia interatmica simt r ica, no hay increment o en la separacininterat omica con la t emperat ur a de equilibr io

La curva es en la f orma de un valle de ener ga pot encial y el espaciamient ointerat mico de equilibr io a 0K r 0 es el mismo del valle. Calent ando at emperaturas sucesivamente mas alt as aument a la energa vibr acional desde E1a E2 y as sucesivamente. La amplit ud del promedio vibracional de un t omo

corresponde al ancho del valle a cada t emperatura y un promedio de ladist ancia int eratmica se representa por la posicin media, la cual seincrement a con la temperat ura desde r0 a r 1, r 2 y as sucesivamente.

La expansin t rmica realmente se da porque la curva es asimt r ica mas queporque aument e la amplit ud de energa vibr acional. Si la curva de ener gapot encial f uera asimt r ica no habr a cambio en la separ acin int erat mica yconsecuentemente no habra expansin trmica.

Para cada clase de mat er iales mient ras mas grande sea la energa de enlaceatmico, mas prof undo y est recho ser ia el valle de la curva de energapot encial. Por lo t ant o el increment o en la separacin int eratmica con unaumento dado de la temperatura ser mas bajo produciendo valores maspequeos de coef icientes de expansin lineal l.

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Conduct ividad t rmica:

La conduccin t rmica es el f enmeno por medio del cual el calor se t ranspor t ade una regin de alt a temperat ura a una de baj a temperat ura de una sust ancia.

La propiedad que car act er iza la habilidad de un mat erial de t ransf er ir calor esla CONDUCTI VI DAD TRMI CA. Se def ine como:

q = -kdT

q: f luj o de calor por unidad de t iempo por unidad de rea siendo esto ladir eccin del f luj o.

K: conduct ividad t rmica.

dT/ dX: Gradient e de temperat ura a t ravs del medio conduct or .

La unidad de q: W/ m2 = Kg.m2/ s3m2

La unidad de K: W/ mK = Kg.m2/ s3.m.K

Est a ecuacin solo es valida par a f luj os estacionar ios o sea f lujos que nocambian con el t iempo. Tambin el signo menos en la expresin indica que elf luj o de calor se da de calient e a f r o.

Mecanismos de conduct ividad de calor :El calor se t r anspor t a en mat er iales, slidos t anto por onda de vibr acin de lared (f onones) como por elect rones libr es. La conduct ividad t rmica est aasociada con estos dos mecanismos y la conduct ividad t ot al es la suma de lasdos cont r ibuciones.

K= Kl+Ke Kl: conduct ividad debida a la vibr acin de la r ed.

Ke: conduct ividad debida a los elect rones.

Usualment e una de las dos es predominant e. La energa t rmica asociada conlos f onones u ondas de red es t ranspor t ada en la dir eccin de su movimient o.

La cont r ibucin Kl r esult a de un movimient o net o de f onones de regiones dealt a de baj a t emperat ura de un cuerpo a t ravs del cual exist e un gradientede Temperat ura. Los e- conductores libres part icipan en la conduccin

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t rmica de los e-. Para los e- libr es en una regin calient e del espcimen seimpar t e una ganancia en la energa cint ica. Ellos ent onces migr an hacia reasf r as, donde algo de esa energa cint ica se t ransf iere a los tomos comoconsecuencia de colisiones con f onones u ot ras imperf ecciones en el cr ist al. Lacont r ibucin relat iva de Ke a la conduct ividad t rmica t ot al se increment a conel increment o de las concent raciones de e- libres dado que habr mselect r ones disponibles para par t icipar en est e pr oceso de t ransf erencia decalor.

METALES

En met ales de alt a pureza , el mecanismo de e- de t ranspor t e de calor esmucho mas ef icient e que la cont r ibucin de los f onones porque los e- no son tan

f cilment e dispersados como los f onones y t ienen mayores velocidades. Porello, los met ales son ext remadamente buenos conduct ores del calor porquet ienen un nmero consider able de e- libr es que part icipan en la conduccint rmica.

Dado que los e- libres son r esponsables t anto de la conduct ividad elct r icacomo t rmica en metales puros los t rat amientos ter icos aseguran que estosdos f actores estn relacionados por la ley de Wiedemann-Fr anz

L= K/T : Conduct ividad elct r ica.

T: t emperat ur a absoluta.

L: Const ante

La aleacin de met ales con impurezas result a en una reduccin de laconduct ividad t rmica ya que los tomos que const it uyen las impurezas,especialment e si estn en solucin slida actan como cent ros de dispersin,baj ando la ef iciencia del movimient o de los e-.

CERMI COS

Los mater iales no met licos son aisladores ya que ellos no t ienen gran nmerode e- libr es. De aqu que los f onones son los pr incipales responsables para laconduct ividad t rmica: ke es mucho mas pequeo que Kl. Los f onones no sont an ef ect ivos como los e- libres en el t ranspor t e de la energa de calor , ya quelos f onones se dif unden por imper f ecciones cr ist alinas.

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El vidr io y ot ros cermicos amorf os t ienen mas bajas conduct ividades que loscermicos cr ist alinos, dado que la dif usin de f onones es mucho mas ef ect ivacuando la est ructura atmica es alt ament e desordenada e ir regular .

La di f usin de las vibr aciones de la red se vuelve mas pronunciadamente elaument o de la Temperatura, de aqu que la conduct ividad t rmica de la mayorade los cermicos disminuye cuando aument a la Temperatura, al menos aTemperat uras relat ivament e bajas.

Figura 3. De pendencia de la conduct ividad t rmica con la t emper at ura paravar ios materiales cermicos.

La conduct ividad comienza a increment ar a mas alt as t emperaturas lo cual seexplica por la t r ansf erencia del calor r adiant e (inf r ar r oj os).

La porosidad en los mater iales cermicos puede t ener una inf luencia dramt icasobr e la conduct ividad t rmica. Un incremento en el volumen de poro result aren una reduccin de la conduct ividad trmica .

Polmeros:

Para la mayor a de los polmeros las conduct ividades son baj as. Para ellos lat r ansf erencia de ener ga se lleva a cabo por la vibr acin y r otacin de lascadenas de molculas. La magnit ud de la conduct ividad t rmica depende delgrado de crist alinidad. Un polmero alt ament e cr ist alino y or denado

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est ruct uralment e t endr mayor conduct ividad que el equivalente mat erialamorf o.

Debido a su baj a conduct ividad t rmica, los polmeros se ut ilizan como

aisladores. As como en los cermicos sus propiedades aislant es se puedenincrement ar por la int roduccin de pequeos poros que se int roducengeneralment e por espumant es durant e la polimer izacin.

Esf uerzos t rmicos t ensiones:

Las t ensiones t rmicas son t ensiones inducidas en un cuerpo como result ado decambios en la Temperat ura.

Tensiones result ant es de la expansin y cont raccin t rmicas conf inadas:Considr ese una varil la de un slido homogneo e I sot rpico que se calient a oenf r a unif ormement e. Si por ejemplo el movimiento axial de la var illa, serest r inge por ext remos r gidos, sern int roducidas t ensiones t rmicas. Lamagnit ud de esa t ensin que result a de un de T.

= E l (To-Tf ) = E l T E: Modulo de elast icidad.

l: Coef icient e def ormacin lineal.

T: (To-Tf )

Si es < 0 porque el proceso es de calentamiento (Tf >To) la t ensin escomprensiva.

Si el espcimen se enf r a Tf 0 se genera un esf uerzo det ensin.

Esf uerzos result ant es de Gradient es de Temperat ura

Cuando un slido se calienta enf r a la dist r ibucin int erna de la Temperat uradepender de su t amao y f orma, la conduct ividad t rmica del mat er ial y la

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velocidad del cambio de Temperatura. Los esf uerzos t rmicos se puedenest ablecer como result ado de gradient es de Temperat ura a t ravs del cuerpo,las cuales son f recuentemente causados por calentamient o rpido enf r iamiento rpido en el que la Temperatura cambia mas rpidament e af ueraque adent ro del mat er ial.

Por ejemplo, bajo calentamiento, el ext er ior de un espcimen es mas calient e ypor lo t ant o, se expandir mas que en el int er ior , por lo que la superf icie delmat erial est a somet ido a un t ipo de esf uerzos y el int erior a ot ro t ipo.

Choque trmico de Mater iales Frgiles

Para mater iales dct iles y polmeros la mit igacin de esf uerzos inducidost rmicament e puede estar acompaada de def ormacin plst ica. Sin embargo,la no duct ilidad de la mayor a de los cermicos aumenta la posibil idad def ract ur a f rgil por est os esf uerzos pudiendo dar lugar a la f or macin degr iet as a la pr opagacin de las mismas a t ravs de mater ial.

La capacidad de un mater ial de sopor t ar est a clase de f alla se llama resist enciaal choque t rmico. Para un cuerpo cermico que es rpidament e enf r iado, laresist encia al choque t rmico depende no solo de la magnit ud del cambio de laTemperatura sino t ambin de las propiedades mecnicas y t rmicas delmaterial. La resistencia al choque t rmico es mejor para cermicos que t ienen

alt a resist encia a la f ract ur a f y alt a conduct ividad t rmica as como bajomodulo de elast icidad y baj o coef iciente de expansin trmica.