C I E N C I A E I N G E N I E R Í A D E LO S M AT E R I A L E S

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES.

ÍNDICE DE TEMAS

Capacidad calorífica y calor especifico.

Expansión térmica o dilatación térmica.

Esfuerzo térmico o tensión térmica.

Conductividad térmica.

Choque térmico o colapso térmico.

P R O P I E DA D E S T É R M I C A S F U N DA M E N TA L E S

CAPACIDAD CALORÍFICA Y CALOR ESPECÍFICO

CONCEPTOS

• Capacidad calorífica:

• Calor necesario para que una sustancia aumente en 1K su temperatura.

• Calor específico:

• Calor necesario para que una unidad de masa de una sustancia aumente en 1K su temperatura.

UNIDADES

• Capacidad calorífica:

• En el SI: J/K• En el sistema técnico: cal/K

• Calor específico:

• En el SI : J/(kg*K)• En el sistema técnico: cal/(g*K)

EQUIPO DE MEDICIÓN

• El equipo utilizado en la medición del calor especifico es el “calorímetro”:

APLICACIONES

P R O P I E DA D E S T É R M I C A S F U N DA M E N TA L E S

EXPANSIÓN TÉRMICA O DILATACIÓN TÉRMICA

CONCEPTO

• Un átomo que gana energía térmica y empieza a

vibrar se comporta como si tuviera un radio

atómico mas grande; aumenta la distancia

promedio entre los átomos y por lo tanto se

incrementan las dimensiones totales de la

materia

FORMULAS Y CÁLCULOS

Formula de coeficiente lineal de expansión térmica:

Formula de coeficiente de expansión volumétrica

v =3

Cambio de volumen de un material al cambiar la temperatura del mismo.

EQUIPO DE MEDICIÓN

• El equipo utilizado en la medición de la dilatación térmica es el “dilatómetro”:

ASPECTOS IMPORTANTES.

• El coeficiente de expansión y su relación con sus enlaces atómicos.

• Enlace iónico

• Enlace covalente

• Coeficiente de expansión en relación a su pozo.

• Pozo de potencial asimétrico

• Pozo de potencial simétrico

PRECAUCIONES AL CALCULAR LA DILATACIÓN EN LOS MATERIALES:

• Características de expansión de los materiales

• Materiales alotrópicos

• Coeficiente lineal de expansión

• Interrelación del material con campos magnéticos o eléctricos

P R O P I E DA D E S T É R M I C A S F U N DA M E N TA L E S

ESFUERZO TÉRMICO O TENSIÓN TÉRMICA:

CONCEPTOS

• Las tensiones térmicas son tensiones inducidas en un cuerpo como resultado de cambios en la temperatura.

En otras palabras:

•  Esfuerzo de tensión o compresión que se produce en un material que sufre una dilatación o contracción térmica.

FORMULAS Y CÁLCULOS

• = El (To-Tf) = El ΔT

• Donde:

• E=Modulo de elasticidad.

• l= Coeficiente deformación lineal.

• ΔT= (T0-Tf)

P R O P I E DA D E S T É R M I C A S F U N DA M E N TA L E S

CHOQUE TÉRMICO O COLAPSO TÉRMICO.

CONCEPTOS

• Si los esfuerzos residuales tensiles son lo suficientemente elevados, los defectos pueden propagarse y causar la falla.

• Esta falla de material causada por esfuerzos inducidos por cambios súbitos en la temperatura se conoce como choque térmico.

• La capacidad de un material de resistir este tipo de rotura se denomina resistencia al choque térmico.

ASPECTOS IMPORTANTES:

El comportamiento de choque térmico se ve afectado por varios factores:

• Coeficiente de expansión térmica.• Conductividad térmica.• Módulo de Elasticidad.• Esfuerzo a la fractura.• Transformaciones de fase.

FORMULAS Y CÁLCULOS

• Parámetro de choque térmico (R' o R):

• R= R’=

• Donde: σ

ƒ es el esfuerzo a la fractura del material.

v es la relación de Poisson. K es la conductividad térmica. E es el módulo de elasticidad. α es el coeficiente lineal de expansión térmica.

σ ƒ K (1−v)E⋅α

σ ƒ⋅(1−v )E⋅α

NOTA IMPORTANTE

• Por lo general, el choque térmico no es un

problema en la mayoría de los metales, ya que

éstos normalmente tienen suficiente ductilidad

para permitir la deformación y no la fractura, sin

embargo, en materiales como vidrios y cerámicas

refractarias, la resistencia al choque térmico es

un parámetro fundamental para de diseño

P R O P I E DA D E S T É R M I C A S F U N DA M E N TA L E S

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

CONCEPTOS

• Es la capacidad de los materiales de conducir calor. Es decir, la capacidad de transmitir energía cinética entre sus moléculas adyacentes.

• Se denota con el símbolo: [K]

• Se mide en: [W/(m·K)] o [(J/s·m·K)]

ASPECTOS IMPORTANTES

• Dirección de la transferencia de calor.

• Equilibrio térmico.

METALES VS OTROS MATERIALES

¿CONDUCTOR O AISLANTE?

Material Conductividad

Cobre 483 W/(m·K)

Plata 450 W/(m·K)

Oro 345 W/(m·K)

Aluminio 300 W/(m·K)

Tungsteno 235 W/(m·K)

Material Conductividad

Polietileno 0,034 W/(m·K)

Corcho 0,039 W/(m·K)

Algodón 0,040 W/(m·K)

Fibra de madera

0,040 W/(m·K)

Arlita 0,080 W/(m·K)

MECANISMOS DE TRANSPORTACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA

• Vibraciones en la red (fotones) (Kp)

• Movimiento de electrones libres (Ke)

K = Kp + Ke

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LAS BANDAS DEL MATERIAL

• Bandas de valencia parcialmente llena

• Banda prohibida corta

• Banda prohibida ancha

Influencia sobre la conductividad térmica [K]

CAMBIOS EN LA TEMPERATURA