Josue Eduardo Alvarez BerthoN/C: 15290519

ED-03 11/04/2015Ing. Industrial

Propiedades de los materiales

Térmicas

Objetivo:

Conocer las propiedades térmicas que tienes lo materiales y sus características de estas.

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayoría de los casos las propiedades mecánicas y físicas dependen de la Temperatura la cual el material se usa o de la Temperatura a la cual se somete el material durante su procedimiento.

Un material sólido cuando se calienta, experimenta un incremento en la

T, lo que significa que algo de energía ha sido absorbida. La capacidad calorífica es una propiedad que es indicativa de la habilidad de un material para absorber calor de los alrededores. Esta representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de la unidad de Temperatura.

En términos matemáticos la capacidad calorífica C se expresa como:

Normalmente la capacidad calorífica se expresa por mol de material (J/mol.k) ó (cal/mol.K), también se usa el término calor específico “c”, que representa la capacidad calorífica por unidad de masa (J/kg.K) o (cal/kg.K)

Hay realmente dos formas en las cuales se puede medir esta propiedad, de acuerdo a las condiciones ambientales que acompañan la transferencia de calor. Una es la capacidad calorífica mientras se mantiene el volumen constante, Cv, y el otro es manteniendo la presión exterior constante, denotada por Cp. La magnitud de Cp es mayor que la de C v, pero esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de sólidos a temperatura ambiental y por debajo.

Capacidad Calorífica Vibracional:

En la mayoría de los sólidos el principal modo de asimilación de energía térmica es por el incremento de energía vibracional de los átomos. Los átomos en los materiales sólidos están vibrando continuamente a muy alta frecuencia y con relativamente pequeñas amplitudes, las vibraciones de átomos adyacentes son acopladas en virtud de los enlaces atómicos. Esas vibraciones son coordinadas de tal forma que se producen ondas que viajan en la red. Estas ondas pueden compararse con ondas elásticas o con ondas sonoras, con pequeñas longitudes de onda y alta frecuencia, la cual se propaga a través de un cristal a la velocidad del sonido.

La energía térmica vibracional para un material consiste en una serie de esas ondas elásticas las cuales tienen un rango de distribuciones y frecuencias. Solo ciertos valores de energía son permitidos (cuantizada) y un quantum simple de energía vibracional es llamado un fotón.

Pudiéramos mostrar la variación con la temperatura de la contribución vibracional de la capacidad calorífica a volumen constante para muchos sólidos cristalinos simples en la siguiente figura.

El Cv es cero a 0 K pero crece rápidamente con la temperatura, esto corresponde a una habilidad incrementada de las ondas de la red para incrementar su energía promedio con el aumento de la Temperatura, a bajas Temperaturas la relación entre Cv y la temperatura absoluta T es:

Por encima de la llamada temperatura de Debye èD, Cv se nivela y se vuelve independiente de la temperatura hasta aproximadamente un valor de 3R, R es la constante de gases, por lo que aun cuando la energía total de un material se incrementa con la temperatura la cantidad de energía necesaria para producir un cambio de un grado de temperatura es constante.

El valor de èD para muchos sólidos es menor que la temperatura ambiente para Cv Expansión térmica. La mayoría de los sólidos se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían, el cambio en longitud con la temperatura para un material sólido se expresa como:

Conductividad térmica:

La conducción térmica es el fenómeno por medio del cual el calor se transporta de una región de alta temperatura a una de baja temperatura de una sustancia.

La propiedad que caracteriza la habilidad de un material de transferir calor es la Conductividad Térmica, y se define como:

Esta ecuación es para flujos estacionarios que son flujos que no cambian con el tiempo, también el signo menos en la expresión indica que el flujo de calor se da de caliente a frío.

CALORIMETRÍA

El procedimiento más utilizados para medir calores específicos trata de sumergir una cantidad del cuerpo sometido a medición en un baño de agua de temperatura conocida. Si el sistema está aislado, cuando se alcance el equilibrio térmico se cumplirá que el calor cedido por el cuerpo será igual al absorbido por el agua, o a la inversa

Método de medida de calores específicos. Al sumergir un cuerpo en agua de temperatura conocida, cuando se alcanza el equilibrio térmico, el calor cedido por el cuerpo es igual al absorbido por el agua [3].

Como la energía calorífica cedida ha de ser igual a la absorbida, se cumple que:

mc (T−T f )=maca(T f−Ta)

Realizando un balance de energía con la expresión anterior se determina el calor específico del material ya que es el único valor desconocido.