propiedades termicas

Páginas: 16 (3941 palabras) Publicado: 30 de noviembre de 2014


TEMA 10

PROPIEDADES TÉRMICAS DE METALES, CERÁMICAS Y POLÍMEROS

Capacidad calorífica y su dependencia con la temperatura. Dilatación térmica. Conductividad térmica y mecanismos de conducción de calor. Tensiones y choque térmico.


Introducción

Por “propiedad térmica” se entiende la respuesta de un material al ser calentado. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor,su temperatura y sus dimensiones aumentan. La energía puede transportarse a las regiones más frías de la muestra si existe un gradiente de temperatura y, finalmente, la muestra puede fundirse. La capacidad calorífica, la dilatación térmica y la conductividad térmica son propiedades muy importantes en la utilización práctica de los sólidos.


Capacidad calorífica

Cuando se calienta unmaterial sólido, éste 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 la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad. En términos matemáticos, la capacidad calorífica C puede expresarse como:

C= dQ/dT (1)

donde dedQ es la energía necesaria para producir un cambio dT en la temperatura. Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol de material (por ejemplo, J/mol-K, cal/mol-K). A veces se utiliza el calor específico (a menudo representado por c); éste representa la capacidad calorífica por unidad de masa y tiene varias unidades (J/Kg-K, cal/g-K).

Existen dos métodos para medir esta propiedad,según cuáles sean las condiciones del medio en que se realiza la transferencia de calor. Uno es medir la capacidad calorífica mientras se mantiene la muestra a volumen constante, en este caso se presenta por Cv; el otro es bajo presión constante y se representa por Cp. La magnitud de Cp es siempre mayor que Cv; sin embargo, esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de los materiales sólidos atemperatura ambiente e inferiores.


Capacidad calorífica vibracional

En la mayoría de los sólidos el modo principal con que se absorbe la energía térmica es mediante el aumento en la energía vibracional de los átomos. Los átomos en los sólidos están vibrando constantemente a frecuencias muy altas y con amplitudes relativamente pequeñas. Las vibraciones no son independientes unas de otras, sinoque las vibraciones de átomos adyacentes están acopladas en virtud del enlace químico. Estas vibraciones


están coordinadas de tal manera que se producen ondas viajeras, un fenómeno representado en la Figura 1. Se puede imaginar que estas ondas son como ondas elásticas o simplemente como ondas de sonido que se propagan a través del cristal a la velocidad del sonido. La energía térmicavibracional de un material consiste en una serie de estas ondas elásticas, que tienen un intervalo de distribuciones y frecuencias. Solamente ciertos valores de energía están permitidos (se dice que la energía está cuantizada) y un cuanto de energía vibracional se denomina fonón. (Un fonón es análogo al cuanto de radiación electromagnética, el fotón). Ocasionalmente, las propias ondas vibracionalestambién se denominan fonones.



Figura 1.- Representación esquemática de la generación de ondas de la red en un cristal por medio de vibraciones atómicas.

La dispersión térmica de electrones libres durante la conducción electrónica se deben a estas ondas vibracionales, y estas ondas elásticas también participan en el transporte de energía durante la conducción térmica.


Dependencia de lacapacidad calorífica respecto de la temperatura

La variación con la temperatura de la contribución vibracional al calor específico a volumen constante para muchos sólidos simples se muestra en al Figura 2. La Cv es cero a 0 K, pero aumenta rápidamente con la temperatura. A bajas temperaturas la relación entre Cv y la temperatura absoluta T es:

Cv= AT3 (2)




Figura 2.- Dependencia...
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