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DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE LA MATERIA CONDENSADA

GRUPO INVESTIGACIÓN: PROPIEDADES TÉRMICAS Y
DIELÉCTRICAS DE MATERIALES

PROPIEDADES TÉRMICAS DE MATERIALES
Asignatura optativa segundo curso
Ingeniería de Materiales. Universidad de Sevilla

Profesores: Jaime del Cerro González
M. Carmen Gallardo Cruz

PROPIEDADES TÉRMICAS DE MATERIALES

Lección 1

Definiciones y relacionestermodinámicas: calor
específico, conductividad térmica, dilatación
térmica y compresibilidad

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES
La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta
prácticamente a todas las características de los materiales. Las
propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren importantes
cambios cuando la temperatura varía.
Deben tenerse encuenta los efectos térmicos a la hora de dimensionar o
seleccionar el material idóneo ya que algunas aplicaciones industriales
requieren la utilización de materiales con propiedades térmicas específicas.
Cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe
calor, lo transmite y se expande. Estos tres fenómenos dependen
respectivamente de tres propiedades características delmaterial: la
capacidad calorífica, su conductividad térmica y de su coeficiente de
dilatación.

CAPACIDAD CALORÍFICA de una sustancia se define como la cantidad de
calor necesaria para elevar 1ºC su temperatura

Q
C=
∆T

[JK ]
−1

Q
c=
m∆T

[Jkg

−1

K −1

]

Calor específico

Al multiplicar por la masa molecular de la sustancia se obtendría la capacidad
calorífica molar,menos usada en ingeniería.
El calor no es una función de estado del sistema, sino que depende del camino,
por tanto hay dos modos de medir el calor específico. Uno manteniendo el
volumen constante, cv, y el otro, manteniendo la presión constante, cp. El valor de
cp es siempre mayor que el de cv, pero su diferencia es pequeña para la mayoría
de los sólidos a temperatura ambiente o inferiores.En ingeniería se trabaja a
presión constante.
Formalmente se definen en función de la energía interna y la entalpía, que son
funciones de estado, como:

1 ⎛ ∂S ⎞
⎛ ∂U ⎞
Cv = ⎜
⎟= ⎜ ⎟
⎝ ∂T ⎠ V T ⎝ ∂T ⎠ V

1 ⎛ ∂S ⎞
⎛ ∂H ⎞
Cp = ⎜
=⎜ ⎟
⎟
⎝ ∂T ⎠ p T ⎝ ∂T ⎠ p

Además son absolutamente necesarios para obtener la ecuación energética de
estado del sistema termodinámico.

VALORES DECALOR ESPECÍFICO PARA DISTINTOS MATERIALES
T = 25ºC
MATERIAL

cp (Jkg-1K-1)

cp (Jmol-1K-1) MATERIAL

Metales

cp (Jkg-1K-1)

Cerámicos

Aluminio

900

24.2

Al2O3

160

Cobre

385

24.47

MgO

457

Oro

129

25.42

SiC

344

Hierro

444

25.1

Diamante (C)

519

Plomo

159

Grafito (C)

711

Niquel

444

Polímeros

Plata

237Nylon 66

1260 – 2090

Titanio

523

Fenólicos

1460 – 1670

Wolframio

133

Polietileno

1920 – 2300

Polipropileno

1880

Politetrafluoretileno

1050

Agua
Gas a 100ºC

2080

37.47

Líquido a 25ºC 4181

75.327

Sólido a 0ºC

38.09

2114

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA es el coeficiente que controla la velocidad de
transferencia de calor por conducción(dQ/dt) a través de un área A, debido a
un gradiente de temperatura (dT/dx). Se define mediante la ley de Fourier:

[

]

dQ / dt
Js −1m −1K −1
Para un espesor infinitesimal
A(dT / dx )
r
r
q = − k∇ T
Para un medio continuo e isótropo de geometría arbitraria
&

k=−

→→

donde

&
Q = ∫ q ⋅ ds
&
S

El signo menos en la expresión indica que el flujo de calor va en sentidocontrario al gradiente de temperatura. Por lo que k se define positiva.
A partir de la ley de Fourier y de la ecuación de balance para la energía se
obtiene para un sólido incompresible y sin disipación en el sólido, la ecuación
general de conducción del calor:

∂T
= α∇ 2 T
∂t

donde α es la difusividad térmica α =

k
ρc

Que para la conducción unidimensional del calor queda la ecuación...