propiedades termicas de los materiales

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 T° a la
cual el material se usa o de la T° a la cual se somete el material durante su
procedimiento.
CAPACIDAD CALÓRICA:
Un material sólido cuando se calienta, experimenta un incremento en la
T°, lo quesignifica que algo de energía ha sido absorbida. La capacidad
calórica 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 T° (1°C ó 1°K).
En términos matemáticos la capacidad calórica C se expresa como:
C = dQ donde dQ es la energía requerida paraproducir un dT (diferencial) o
cambio de temperatura.
Normalmente la capacidad calórica se expresa por mol de material (J/mol°k) ó
(cal/mol°K). También se usa el termino calor especifico ″c″, que representa la
capacidad calórica por unidad de masa (J/kg°K) ó (cal/kg°K).
Hay realmente dos formas en las cuales se puede medir esta propiedad, de
acuerdo a las condiciones ambientales que acompañanla transferencia de calor.
Una es la capacidad calórica 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 Cv, pero esta diferencia es muy pequeña
para la mayoría de sólidos a T° ambiental y por debajo.
Capacidad Calórica Vibracional:
En la mayoría de los sólidos el principal modo deasimilación 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 ó 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 FONON.
Dependencia de la Temperatura con la capacidad calórica:
La variación con la temperatura de la contribución vibracional de la capacidad
calórica a volumen constante para muchos sólidos cristalinos simples se
muestra en la figura 1

Figura 1. La dependencia de la temperatura con la capacidad calórica a volumenconstante; θD es la temperatura de Debye

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 ascenso de la Temperatura. A bajas
Temperaturas la relación entre Cv y la temperatura absoluta T es:
Cv = AT³

donde A es una constante que no depende de la temperatura.

Porencima de la llamada temperatura de Debye èD, Cv se nivela y se vuelve
esencialmente independiente de la temperatura hasta aproximadamente un
valor de 3R, siendo R la constante de gases, por lo tanto 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 paramuchos 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:
l f − l0
l0

= αl (T f − T0 )

∆l
= αl ∆T
l0
donde lf es la longitud final, l0 es la longitud inicial, T0 es la temperatura inicial...