Propiedades termicas de los materiales

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Capacidad de calor y calor específico
Algunas propiedades térmicas de los materiales pueden caracterizarse de forma dual, como las propiedades ópticas por ejemplo. Estas propiedades están determinadas por los fonones.
Cuando se aplica calor a un material los átomos aumentan su energía térmica y vibran con una amplitud y frecuencia específica. Estavibración se transfiere a los átomos circundantes produciendo una onda elástica conocida como fonón cuya energía puede expresarse en función de la longitud de onda o de la frecuencia.
E=hcλ=hv
Capacidad de calor o calor específico es la energía requerida para cambiar un grado en la temperatura de un material.
Capacidad de calor es la energía necesaria para elevar la temperatura de un mol de unmaterial en un grado. Calor específico se define como la energía necesaria para incrementar la temperatura de un grano de material en 1°C. La capacidad de calor puede expresarse a una presión constante, Cp, o volumen constante, Cv. La capacidad de calor no es una constante, en los metales se acerca a 6 cal/mol.K.
La relación entre calor específico y capacidad de calor es:
Calorespecífico=Cp=capacidad de calorpeso específico
Ni la capacidad de calor ni el calor específico dependen de manera significativa de la estructura del material de la estructura del material; por tanto, los cambios en la densidad, tamaño de grano y las vacancias tienen muy poco efecto.
La vibración de la red cristalina o fonones es el factor de mayor importancia para cambios en el calor específico. Existen tambiénotros factores de los cuales depende el calor específico como la estructura cristalina.
Expansión térmica
Al aumentar la energía térmica el átomo empieza a vibrar comportándose como si su radio atómico fuera mayor. Por ello la distancia promedio entre los átomos y las dimensiones en general se incrementan. El cambio Δl en las dimensiones del material por unidad de longitud está determinado por elcoeficiente lineal de expansión térmica α:
∝=lf-l0l0Tf-T0=∆ll0∆T=ε∆T
Donde T0 y Tf son las temperaturas inicial y final y l0 y lf son las dimensiones inicial y final del material y ε es la deformación. También se puede definir un coeficiente volumétrico de expansión térmica αv, para describir el cambio en el volumen cuando cambia la temperatura del material.
El coeficiente de expansión térmicaestá relacionado con la resistencia de los enlaces atómicos. Para que los átomos se muevan saliéndose de sus posiciones de equilibrio, debe introducirse energía al material. Los materiales con fuertes enlaces atómicos y elevadas temperaturas de fusión tienen una separación de átomos menor y un coeficiente lineal de expansión bajo.
Al calcular cambios dimensionales de los materiales debe tomarse encuenta:
1. Las características de expansión de algunos materiales son anisotrópicas.
2. Los materiales alotrópicos tienen cambios abruptos en sus dimensiones al presentarse la transformación de fase, lo que contribuye al agrietamiento de los materiales refractarios cuando se calientan o se enfrían, y a las grietas de templado en los aceros.
3. El coeficiente lineal de expansión cambiacontinuamente con la temperatura.
4. La interacción del material con campos eléctricos o magnéticos producidos por dominios magnéticos puede impedir la expansión normal hasta que se alcanzan temperaturas superiores a la de Curie.
La expansión térmica de los materiales de ingeniería se puede adecuar utilizando materiales multifase. Al calentarse, una fase puede mostrar expansión térmica entanto que la otra puede mostrar un coeficiente de expansión térmica igual a cero o negativo.
Al calentar un material isotrópico de manera lenta y uniforme, se expande sin crear ningún esfuerzo residual. Si al material se le limita el movimiento, los cambios dimensionales tal vez no puedan realizarse y se generan esfuerzos. Estos esfuerzos térmicos se relacionan con el coeficiente de expansión...