Propiedades Térmicas
Introducción
(1) Propiedades Térmicas: Están relacionadas con la transmisión de calor y la capacidad calorífica. Hay tres propiedades características del material: la capacidad calorífica, su conductividad térmica y su coeficiente de dilatación.
(2) Capacidad Calorífica y Calor Específico
Capacidad calorífica (Cp o Cv): Es la energía necesaria para hacer variar 1 K la temperatura de un mol de materia.
Calor específico (Ce): Es la energía necesaria para hacer variar 1 K la temperatura de un gramo de materia.
Al multiplicar por la masa molecular de la sustancia se obtendría la capacidad calorífica molar.
El calor depende del camino, dos modos de medir el calor específico. Uno manteniendo el volumen constante, cv, y otro manteniendo la presión constante, cp.
(3) Dilatación Térmica
Fenómeno que ocurre al aumentar la temperatura de un material, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un incremento en la distancia interatómica de equilibrio, y por tanto, haciendo aumentar las dimensiones del cristal.
Coeficiente de expansión térmica o Coeficiente de dilatación: α=ΔL/L0ΔT (1/ºC) permite calcular los cambios dimensionales que sufre el material como consecuencia de un cambio de T. Lt = Lt0 (1 + [T – T0]α)
Dilatometría
La dilatometría es una técnica de estudio de las transformaciones de fase en materiales sólidos.
(4) Conductividad Térmica (k)
Propiedad de los materiales que determina la velocidad a la que el calor se transmite en el material.
Flujo de calor (Q) por unidad de tiempo a través de una sección A: (Q = k .dT/dx) , Q: W/m2=Kg/s3 ,K: conductividad térmica: W/m.K=Kg.m/s3K
Mecanismos de conducción de calor:
K = Ki + Ke
Ki: conductividad debida a vibración en la red: movimiento neto de fonones (ondas de vibración) en un cuerpo con gradiente de temperatura.
Ke: conductividad debida a los electrones: aumenta al aumentar los electrones libres.
Los electrones no son tan fácilmente dispersados como los fonones y tienen mayores velocidades.
Conductividad térmica en METALES:
Debido a los electrones. Son buenos conductores de calor.
Ley de Wiedemann-Franz: (relaciona la conductividad térmica y eléctrica) L= k/(sT) (k: conductividad térmica, s: conductividad eléctrica, L: constante). Las impurezas disminuyen la conductividad porque actúan como centros dispersantes.
Sólidos metálicos: tienen mayor k que los sólidos no metálicos, líquidos y gases. Extraordinariamente sensibles a las impurezas y al aumento excesivo de la presión.
Conductividad térmica en POLÍMEROS:
La transferencia de energía se lleva a cabo por la vibración y rotación de las moléculas de polímero. Son aislantes.
- Un polímero cristalino tiene mayor conductividad que uno amorfo.
- Sus propiedades aislantes se incrementan al introducirle poros.
Sólidos no metálicos, líquidos y gases: a temperaturas ordinarias son malos conductores del calor.
Conductividad térmica en CERÁMICOS:
El mecanismo fundamental es el debido a los fonones:
- Los materiales porosos tienen baja conductividad.
- Compuestos con átomos de número atómico similar (C, BeO, SiC..) tienen una mayor conductividad porque su dispersión de red es pequeña.
- Las cerámicas cristalinas son mejores conductoras que las amorfas.
- La conductividad disminuye con la temperatura en rangos bajos de T.
(4.1) Tensiones Térmicas
Son tensiones inducidas en un cuerpo como resultado de un cambio de temperatura.
Expansión y contracción térmica: Si tenemos una varilla en la que se restringe la expansión axial por unos extremos rígidos, al aumentar T se producen tensiones: (σ= Eαi(T0-Tf) = Eαi ΔT) -σ < 0: calentamiento y se genera una tensión es compresiva -σ >0: enfriamiento y se genera un esfuerzo de tracción
Gradiente de temperatura: Se originan por calentamiento o enfriamientos rápidos porque la temperatura cambia más rápidamente fuera que dentro.
Choque térmico de materiales frágiles
- Los materiales dúctiles y polímeros la mitigación de los esfuerzos inducidos térmicamente se acompañan de deformaciones plásticas.
- La no ductilidad de la mayoría de los cerámicos aumenta la posibilidad de fractura.
(4.2) Materiales Compuestos: Bimetales
Un Bimetal es un compuesto laminar de dos metales con muy distinto coeficiente de dilatación.
Sensores bimetálicos (termostatos), son interruptores que producen una salida del tipo (on-off) «todo o nada» y conmutan de un estado al otro cuando se alcanza un determinado valor de temperatura. Constan generalmente de un bimetal, el cual se deforma según un arco circular uniforme cuando se produce un cambio de temperatura.
(4.3) Martensitas: Aleaciones con Memoria de Forma
Son aleaciones metálicas que, después de una deformación aparentemente plástica, vuelven a su forma original tras un calentamiento. Los materiales pueden ser deformados hasta casi un 10% vol. Estos efectos son llamados memoria de forma térmica (o Efecto memoria de forma) y memoria de forma elástica (o Superelasticidad). Ambos efectos son debidos a un cambio de fase llamada “Transformación Martensitica Termoelástica”.
(4.4) Introducción a la Termoelectricidad
(se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian los fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad).
Efecto Seebeck:
Thomas J. Seebeck descubrió que en un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T+ΔT, aparece una corriente eléctrica Je, o bien, si se abre el circuito una fuerza electromotriz (f.e.m.).
Efecto Peltier:
El efecto Peltier consiste en el enfriamiento o calentamiento de una unión entre dos conductores distintos al pasar una corriente eléctrica por ella y que depende exclusivamente de la composición y la temperatura de la unión.
Celula de efecto Peltier si se hace pasar una corriente por el circuito de uniones semiconductoras p-n y n-p. unas se calientan y otras se enfrían, produciéndose un gradiente de temperatura entre las placas.
Efecto Thomson
El efecto Thomson consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico homogéneo, con una distribución de temperaturas no homogénea, por el que circula una corriente.
Convertidor termoelectrónico:
Un convertidor termoelectrónico moderno se compone de dos pequeñas piezas semiconductoras A y B, una del tipo n (cargas libres) y la otra del tipo p (huecos libres), unidas en uno de sus extremos mediante una unión metálica o soldadura, si esta soldadura se somete a una fuente de calor, manteniéndose a una temperatura se produce una pequeña fuerza electromotriz que genera una corriente eléctrica en el circuito. Aplicaciones:Calorímetros, Termómetros, Intercambiadores de calor compactos, Detectores infrarrojos…
Propiedades Mecánicas
La elasticidad es la capacidad que tienen los materiales elásticos de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. La plasticidad es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes bajo la acción de esfuerzos exteriores, sin llegar a la ruptura. La dureza es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados. La tenacidad es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. La resistencia a la fatiga es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos. La resistencia mecánica es la capacidad de los materiales a soportar esfuerzos de tracción o compresión, cizalladura o esfuerzos cortantes, flexión y torsión.
RECUPERACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN DE METALES DEFORMADOS PLÁSTICAMENTE
Procesado en frío:
Se deforma deliberadamente el metal a temperaturas bajas y mucha de la energía de deformación utilizada se almacena en forma de dislocación o defectos puntuales. Si aumentan los defectos el metal se hace más difícil de deformar. Provoca tantos defectos que la configuración se conoce como bosque de dislocaciones.
Recocido:
A una temperatura suficientemente alta, la difusión atómica es lo bastante grande como para permitir que los granos cristalinos sometidos a fuertes tensiones producidas por el trabajo en frío, se reestructuren para proporcionar una estructura cristalina casi perfecta.
(2) ENSAYOS MECÁNICOS
(2.1) Ensayo de tracción
El ensayo de tracción se basa en que la muestra (generalmente en forma de un pequeño cilindro llamado probeta) se estira (deforma) hasta la fractura o rotura, con una carga de tracción que aumenta gradualmente y que es aplicada uniaxialmente a lo largo del eje de la probeta. Se utiliza para evaluar la resistencia y ductilidad de materiales.
El ensayo se realiza alargando la probeta, con una longitud inicial L0, que está sujeta entre las mordazas de una máquina.Una de las mordazas de la máquina está unida al cabezal móvil y se desplaza respecto a la otra durante la realización del ensayo.El resultado del ensayo de tracción se registra en el software correspondiente como carga en función del alargamiento.
Modulo de elasticidad o Modulo de Young (E) : es la pendiente de la zona lineal en el diagrama que corresponde a una deformación elástica .
Limite elastico (σy) o punto de fluencia: es el valor del esfuerzo a partir del cual un material deja de comportarse de forma elástica (deformación reversible) e inicia su deformación plástica (deformación irreversible).Limite elastico:Es aquella tension a la que se produce una deformacion plastica indefinida.
Ductilidad: Capacidad de un material a cambiar de forma permanente, mediante deformación plástica sin fractura.El límite entre un material dúctil y uno frágil se establece a partir de la consideración de que un material frágil es aquel que tiene una deformación a la fractura menor que aproximadamente 5%.
Resiliencia Capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y de ceder esta energía cuando se deja de aplicar deformación.
(2.2)Ensayo de dureza: la dureza puede definirse como resistencia a la penetracion, a la deformacion, agsorcion de energia, resistencia a la abrasion, al rayado y a la cortadura. Tipos:
Ensayo de dureza BRINEL: consiste en haces una huella con un penetrador esferico, es mas antiguo (industrial).
Ensayo de dureza VICKERS: ensayo cientifico. Es similar al Brinell, varian el penetrador que es una piramide de base cuadrada de diamante de 136º de angulo entre caras continuas, y las cargas empleadas. Principal inconveniente es la dificultad para medir la huella.
Ensayo de dureza ROCKWELL: es el ensayo industrial (rapidez, facil lectura). Mide la resistencia a la penetracion empleando una escala arbitraria. El penetrador tiene forma conica o esferica según la escala.
(2.3)Ensayo de Flexion por choque (ensayo de resilencia): ensayo dinamico que consiste en la rotura de una probeta entallada colocada entre dos apoyos (metodo Charpy) mediante un solo golpe. Se llama RESILENCIA (Kc) a la energia absorbida en la rotura por la unidad de area de la seccion posterior de la entalla, es un indice de la tenacidad. Ensayo Charpy: la entalla debe mecanizarse cuidadosamente de modo que no aparezcan estrias en el fondo de la entalla.
(2.4)Ensayo de Flexion Simple (para materiales fragiles): el ensayo de flexion a tres puntos consiste en aplicar una carga f sobre una probeta que descansa sobre dos apoyos hasta conseguir que rompa. Durante la flexion la mitad inferior de la probeta ,se ve sometida a traccion ,y la mitad superior, a compresion. La rotura se iniciara donde la traccion es maxima.