Propiedades termicas de los materiales

Propiedades térmicas de los materiales
Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la medida de que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura y sus dimensiones aumentan. La energía puede transportarse a las regiones mas frías de la muestra si existe una gradiente de temperatura y, finalmente, la muestra puede fundirse. La capacidad calorífica, ladilatación térmica y la conductividad térmica son propiedades muy importantes en la utilización práctica de los sólidos.
Capacidad calorífica
Cuando se calienta un material solido, este experimenta un aumento de temperatura, indicando con ello que absorbe energía. La capacidad calorífica es una propiedad que indica la capacidad de un material de absorber calor de su entorno; representa lacantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. La capacidad calorífica C puede expresare como:
C=dQdT (**)
Donde dQ es la energía necesaria para producir un cambio dT en la temperatura. Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por un mol de material.
Existen dos métodos para medir esta propiedad, según cuales sean las condiciones del medio en que se realiza latransferencia de calor. Uno es medir la capacidad calorífica mientras se mantiene el volumen constante, en este caso se expresa por Cv; el otro caso es bajo presión constante y se expresa por Cp. La magnitud Cp es siempre mayor que Cv; sin embargo, esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de los materiales sólidos a temperatura constante.

* Capacidad calorífica vibracional

En lamayoría de sólidos el método principal con que se absorbe la energía térmica es mediante el aumento de energía vibracional de los átomos. Los átomos en el solido están vibrando constantemente a frecuencias muy altas y con amplitudes relativamente pequeñas. Estas vibraciones están coordinadas de tal manera que producen ondas viajeras, que podemos apreciar en la Figura *. La energía térmicavibracional de un material consiste en una serie de ondas elásticas, que tienen un intervalo de distribuciones y frecuencias. Solamente ciertos valores de energía están permitidos y un cuanto de energía vibracional se denomina fonon. (Un fonon es análogo al cuanto de radiación electromagnética, el fotón). En ocasiones, las propias ondas vibracionales también se denominan fonones.

La dispersión térmica deelectrones libres durante la conducción electromagnética se debe a estas ondas vibracionales y estas ondas elásticas también participan en el transporte de energía durante la conducción térmica.

Figura * representa la generación de ondas de la red de un cristal por medio de vibraciones atómicas.

* Dependencia de la capacidad calorífica respecto de la temperatura
La variación con latemperatura de la distribución vibracional al calor especifico a volumen constante para muchos sólidos cristalinos simples se muestra en la figura **. La Cv es cero a 0 K, pero aumenta rápidamente con la temperatura. A bajas temperaturas a relación entre Cp y la temperatura absoluta T es:
Cv=AT3 ()
Donde A es una constante independiente de la temperatura. Por encima de la denominada temperaturade deybe θD, Cv se estabiliza haciéndose prácticamente independiente de la temperatura y alcanza un valor igual a aproximadamente 3R, siendo R la constante de los gases. Por consiguiente, aun cuando la energía total del material aumenta con la temperatura, la cantidad necesaria para aumentar la temperatura en un grado permanece constante.
Para muchos materiales solidos θD es inferior a latemperatura ambiente, siendo 25 J/mol-K (6 cal/mol-K) una aproximación razonable para C, a temperatura ambiente. Como veremos en la tabla * se dan los calores específicos experimentales para diversos materiales.

Figura ** Dependencia de la capacidad calorífica, a volumen constante respecto de la temperatura; θD es la temperatura de Debye.
* Otras contribuciones de la capacidad calorífica...