PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

CAPACIDAD CALÓRICA Calor específico (J/kg ºK) [Cv ó Cp] = J/Mol ºK Indicativa de la habilidad de un material para absorber calor de los alrededores. Representa la cantidad de energía requerida para producir un aumento de una unidad de temperatura (1ºC o 1ºK Calor específico (J/kg ºK) [Cv ó Cp] = J/Mol ºK

Capacidad calórica vibracional Sólidos asimilan la energía térmica por medio de incremento en la energía vibracional de los átomos. Los átomos en los sólidos están vibrando a muy alta frecuencia y con pequeñas amplitudes Las vibraciones de átomos adyacentes se acoplan en virtud de los enlaces atómicos Las vibraciones acopladas se coordinan para formar ondas que viajan en la red (fonones)

Efecto de la temperatura El Cv es cero a 0ºK 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 ascenso de la temperatura. Por encima de D (Tº de Debye) Cv se vuelve independiente de la temperatura hasta un valor aproximadamente igual a 3R (R es la constante de los gases) Cv = AT³ donde A es una constante que no depende de la temperatura.

Efecto de la temperatura 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. Para muchos sólidos D es menor que la temperatura ambiente

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 se expresa como También puede expresarse un coeficiente de expansión térmica volumétrico

Expansión térmica Desde el punto de vista atómico, la expansión térmica se refleja por un incremento en el promedio de la distancia entre los átomos

Expansión térmica Para cada clase de materiales, mientras más grande sea la energía de enlace atómico, más profundo y estrecho será el valle de la curva de energía potencial. Por lo tanto el incremento en la separación interatómica con un aumento dado de la temperatura será mas bajo produciendo valores más pequeños de coeficientes de expansión lineal

Conductividad térmica Es el fenómeno por medio del cual el calor se transporta de una región de alta temperatura a una de baja temperatura en una sustancia.

Mecanismos de conductividad de calor Hay dos mecanismos para conducir el calor a través de un material: Por ondas de vibración de la red (fonones) o por electrones libres

Metales Es más significativo el mecanismo de los electrones libres que el de los fonones. Extremadamente buenos conductores ya que tienen gran número de electrones libres que participan en la conducción térmica Las aleaciones reducen la conductividad térmica de los metales ya que los átomos que constituyen las impurezas, actúan como centros de dispersión bajando la eficiencia del movimiento de los electrones

Cerámicos Son aislantes ya que no tienen gran número de electrones libres y los fonones son los principales responsables de la conducción térmica y éstos no son tan efectivos ya que se difunden por imperfecciones cristalinas Amorfos y vidrios tienen más bajas conductividades que los cristalinos ya que la difusión de los fonones es mayor cuando la estructura es desordenada e irregular La conductividad térmica disminuye con el aumento de la temperatura (temperaturas bajas). A mayores temperaturas la conductividad aumenta debido al calor radiante (infrarrojos) A mayor porosidad, mayor poder aislante

Conductividad térmica vs temperatura

Polímeros Bajas conductividades. La transferencia de calor se lleva a cabo mediante el mecanismo de rotación y vibración de las cadenas de moléculas. La magnitud de la conductividad es directamente proporcional al grado de cristalinidad de un polímero Al igual que algunos cerámicos son utilizados como aislantes. Su carácter aislante se puede mejorar introduciendo poros por medio del uso de espumantes durante la polimerización

Esfuerzos resultantes de gradientes de temperatura Cuando un sólido se calienta o enfría, la distribución de la temperatura dependerá de factores tales como tamaño y forma, la conductividad térmica y la velocidad de cambio de la temperatura. Debido a gradientes de temperatura a través del cuerpo, se generan esfuerzos térmicos. Estos se generan sobre todo en calentamientos y enfriamientos bruscos del material

Choque térmico de materiales frágiles En materiales dúctiles como los polímeros y los metales, los esfuerzos que se generan térmicamente, se disipan con deformaciones plásticas. En materiales cerámicos (frágiles) los esfuerzos térmicos aumentan la posibilidad de formación de grietas y propagación de las mismas a través del material. La capacidad de un material de soportar esta clase de fallas, se llama resistencia al choque térmico La resistencia al choque térmico en un cerámico depende fuertemente de algunas propiedades mecánicas tales como la resistencia a la fractura