Materiales De Ingenieria

PROPIEDADES TÉRMICAS
Tanto la capacidad calorífica como el calor específico indican la capacidad del material para absorber calor. La energía aportada al material desde una fuente externa de calor produce un incremento de la vibración térmica de los átomos del material. La mayoría de los materiales aumentan ligeramente de tamaño al ser calentados. Esta dilatación térmica es el resultado directode la mayor distancia de separación entre los centros de los átomos adyacentes a medida que aumenta la vibración térmica de los átomos individuales al aumentar la temperatura.
Al describir el flujo de calor a través de un material, la constante de proporcionalidad entre la velocidad de evacuación o flujo de calor y el gradiente de temperatura es la conductividad térmica, análoga a ladifusividad, definida como contaste de proporcionalidad entre la velocidad de flujo de masa y el gradiente de concentración.
El flujo de calor en un material puede producir consecuencias de tipo mecánico.
El choque térmico hace referencia a la rotura del material debida al cambio de temperatura, normalmente un enfriamiento brusco.
1. Capacidad Calorífica:
Cuando un material absorbe calor del ambiente, sutemperatura aumenta. Esta observación puede cuantificarse mediante una propiedad fundamental del material, la capacidad calorífica, C, definida como la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura.
C= Q∆T
dondeQ es la cantidad de calor que produce un cambio de temperatura ∆T. Es importante destacar que, al considerar incrementos de temperatura, la magnitud de ∆T es la misma tanto enla escala de Kelvin (K) como en grados centígrados (℃).
El valor de C dependerá de la cantidad de material considerada. Normalmente la capacidad calorífica se especifica en base a 1 átomo gramo o 1 mol, en unidades de J/(átomo-gramo.K) o J/(mol.K). Una alternativa muy común es el calor específico, por unidad de masa, que se indica en J/(Kg.K). Al estar referido a la unidad de masa, el calorespecífico se expresa con letras minúsculas:
C= qm∆T
Hay dos modos de medir la capacidad calorífica: manteniendo el volumen constante, Cv(Cv), o manteniendo constante la presión, Cp(Cp). El valor de Cp es siempre mayor que el de Cv, pero la diferencia es pequeña para la mayoría de los sólidos a temperatura ambiente o inferiores.
En el caso de materiales para ingeniería generalmente se trabaja apresión constante y con magnitudes por unidad de masa, por lo que en este texto tenderá a utilizarse datos de Cp. En la siguiente tabla se indican valores de calor específico para distintos materiales.
MATERIAL | Cp (J/Kg.K) |
Metales | |
Aluminio | 900 |
Cobre | 385 |
Oro | 129 |
Hierro | 444 |
Plomo | 159 |
Níquel | 444 |
Plata | 237 |
Titanio | 523 |
Wolframio | 133 |Cerámicos | |
Al2O3 | 160 |
MgO | 457 |
SiC | 344 |
Carbono (diamante) | 519 |
Carbono (grafito) | 711 |
Polímeros | |
Nylon 66 | 1.260-2.090 |
Fenólicos | 1.460-1.670 |
Polietileno (alta densidad) | 1.920-2.300 |
Polipropileno | 1.880 |
Politetrafluoretileno (PTFE) | 1.050 |
* Valores de calor específico para distintos materiales.

Toda una serie de estudios acerca de larelación entre las vibraciones atómicas y la capacidad calorífica en los primeros años del siglo veinte, condujeron a descubrir que, a temperaturas muy bajas, Cv aumenta bruscamente desde cero, a 0 K, según
Cv= AT3
Dónde: A es una constante independiente de la temperatura. Más aún, por encima de la temperatura de DebyeθD, el valor de Cv se estabiliza a aproximadamente 3R, siendo R la constanteuniversal de los gases.
La siguiente figura resume cómo Cv alcanza un valor asintótico de 3R por encima de θD, debido a que θDes inferior a la temperatura ambiente para muchos sólidos, y Cp≅Cv, se dispone de una útil regla empírica para conocer la capacidad calorífica de muchos materiales para ingeniería.

Dependencia con la temperatura de la capacidad calorífica a volumen constante, Cv. El...