Propiedades Térmicas

Equipo #3

Introducción

La Energía es la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor, y puede convertirse de un tipo a otra

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.

Introducción

Deben tenerse en cuenta los efectos térmicos a la hora de dimensionar o seleccionar elmaterial idóneo ya que algunas aplicacionesindustriales requieren la utilización de materiales con propiedades térmicasespecíficas.

Introducción

Cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite expande. Estos tres fenómenos dependen

y se

respectivamente de tres propiedadescaracterísticas del material: la capacidad calorífica, su conductividad térmica y de sucoeficiente de dilatación y se pueden dar porconducción, convección o radiación.

Calor especifico y capacidad calorífica

Los objetos pueden emitir o absorber calor. La emisión o absorción de calor hace que los objetos cambien de temperatura.

El cambio de temperatura que un objeto experimenta cuando absorbe cierta cantidad de energía está determinado por su capacidad calorífica, es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura en 1 kelvin o un grado C.

La capacidad calorífica de un 1 g de sustancia se llama calorespecifico.

Calor especifico=(cantidad de calor transferido)/(gramos de sustancia x cambio de temperatura)

MaterialC a l o r es p ecífico D e ns i d a d C a p a ci d ad ca l orífica

vo l um é trica

kcal/kg °C kg/m³ kcal/m³ °C

A g ua 1 1000 1000

Ac e ro 0,12 7850 950

Tierra seca 0,44 1500 660

Gra n ito 0,19 2645 529

Madera de ro b le 0,57 750 430

L a dr i l l o 0,20 2000 400

Madera de p i no 0,6 640 384

Piedra ar e n i sca 0,17 2200 374

Piedra ca l iza 0,22 2847 484

H o rmi g ón 0,16 2300 350

Mortero de y eso 0,2 1440 288

Tejido de l a na 0,32 111 35

Poliestireno expandido 0,4 25 10

Poliuretano expandido 0,38 24 9

Fi b ra de vi d rio 0,19 15 2,8

Aire 0,24 1,2 0,29

Conductividad térmica

Es la propiedad física de cualquier material que mide la capacidad de conducción del calor a través del mismo.

Es levada en los metales y en general en cuerpos continuos, es baja en los gases y polímeros, y muy baja en algunos materiales especiales tales como la fibra de vidrio, denominados por ello, aislantes térmicos. Para generar la conducción térmica se necesita una sustancia, por tal razón, es nula en el vacío.

Conducción térmica de metales

En metales de alta pureza, el mecanismo de transporte de calor se realiza fundamentalmente por los electrones. Los valores de la conductividad son los más altos ya que los electrones no son tan fácilmente dispersados y además existe un gran número de electrones libres que participan en la conducción térmica. Los más altos corresponden a la plata, al oro y al cobre.

Aleando los metales con impurezas se produce una reducción en la conductividad térmica, por la misma razón que disminuye también la conductividad eléctrica. Los átomos de impurezas, especialmente si están en disolución sólida, actúan como centros de dispersión, disminuyendo la eficiencia del movimiento de los electrones. Por esta razón el acero inoxidable (Fe/Cr25/Ni20) presenta una conductividad térmica

Conductividad térmica en cerámicos y vidrios

Los materiales no metálicos se consideran aislantestérmicos por cuanto no contienen electrones libres. Elvalor de la conductividad térmica está determinado por las imperfecciones de la red o el desorden estructural esto hace que la dispersión entre fonones aumente y por tantodisminuya la conductividad térmica.

El vidrio y otras cerámicas amorfas tienen aún conductividades menores, puesto que la dispersión de fonones es mucho más efectiva cuando la estructura atómica es altamente desordenada e irregular. El diamante es una excepción debido a su estructura cristalina y al tipo de enlace que tienen los átomos de carbono, tiene una conductividad casi cinco veces mejor que cualquier metal.

Conductividad térmica en cerámicos y vidrios

La porosidad en el material disminuye la conducción térmica debido a que los poros se llenan de aire el cual tiene una conductividad térmica baja.

A temperaturas mucho más altas la conductividad empieza a aumentar, lo cual se debe a la transferencia de calor por radiación; cantidades significativas de radiación infrarroja pueden ser transportadas a través de un materialcerámico transparente y la eficiencia de este proceso aumenta con la temperatura. Además pueden excitarse algunos electrones hacia la banda de conducción.

Conductividad térmica en polímeros

La conductividad térmica de los polímeros son en general muy bajas. En estos materiales la transferencia de calor se realiza por la vibración, traslación y rotación de moléculas.

La magnitud de la conductividad térmica depende del grado de cristalinidad; un polímero con un alto grado de cristalinidad y una estructura ordenada tendrá una conductividad mayor que el material amorfo equivalente. Esto se debe a la vibración coordinada más efectiva de las cadenas de moléculas en el estado cristalino.

Son normalmente usados como aislantes térmicos y aún se pueden mejorar sus propiedades aislantes introduciendo pequeños poros, los cuales se obtienen mediante espumación durante la polimerización.La espuma depoliestireno (poliestireno expandido) es el material aislante

mide en W/(K·m) (equivalente a J/(s·K·m) )

q es el flujo de calor (por unidad tiempo y unidad de área).(∇)(Τ), es el, es el gradiente de

de

Coeficiente de conductividad térmica

El coeficiente de conductividad térmica (λ)caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneoobtenga una diferencia de 1 °C detemperatura entre las dos caras. En el (SI) se

Material ConductividadTérmica

H i erro 80,2

L a dr i l l o 0,80

L a dr i l l o refract a rio 0,47-1,05

L a tón 81 - 116

L itio 301,2

Ma d era 0,13

M e rc u rio 83,7

Mica Mosc o vita 0,35

Ní q ue l 52,3

Oro 308,2

P a rafi n a 0,21

Pl a ta 406,1-418,7

Plomo 35,0

Algunos coeficientes de conductividad térmica

MaterialConductividad Térmica(W/(m·K))

Ac e ro 47 - 58

Ac e ro i n o x i d a b le 14-16

A g ua 0,58

Aire 0,024

Alc o h o l 0,16

Al p aca 29,1

Al u mi n io 209,3

Ami a nto 0,04

Bro n ce 116-186

C o bre 372,1-385,2

C o rcho 0,04-0,30

Esta ñ o 64,0

Difusividad

Es un índice que expresa la velocidad de cambio, y flujo de temperaturas, en un material hasta que alcanza el equilibrio térmico.

La expresión matemática de relaciona la conductividad térmica (k), el calor específico (cp), y la densidad del material (p).

Resistencia

La resistencia térmica de un material representa lacapacidad del material de oponerse al flujo del calor. En el caso de materiales homogéneos es la razón entre el espesor y la conductividad térmica del material; en materiales no homogéneos la resistencia es el inverso dela conductancia térmica.

El coeficiente de resistencRia"-a=l p,aAso del calor de unelemento discreto formado por

..

una capa de materialhomogéneo y caras planoparelelas separadas un espesor e, es igual:

En metro cuadrado y kelvin por vatio

Resistencia

Cuando el elemento no es homogéneo el valor del coeficiente de la resistencia es el inverso del coficiente de conductancia (C):

-, 1- c·--I,

Aislantes térmicosLos materiales aislantes se obtienen normalmente a partir de materiales no conductores en forma de fibras o con baja compacidad. La porosidad reduce notablemente ladensidad del material y por tanto su conductividad. Un alislante termico es el polietileno.

Dilatación

Es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él.

Un aumento de la temperatura origina una mayor vibración térmica de los átomos del material y un aumento de la distancia media de separación entre átomos adyacentes. La dimensión global del material en dicha dirección aumentará al hacerlo la temperatura.

Al aumentar las fuerzas de enlace la temperatura de fusión aumenta y el coeficiente de dilatación disminuyen.

Dilatación

Los coeficientes de dilatación de los materiales cerámicos y vidrios son generalmente inferiores a los de los metales, que son a su vez menores que los de los polímeros.

En algunas cerámicas α es anisotrópico, incluso algunas cerámicas pueden contraerse en una determinada dirección al ser calentadas mientras ocurre lo contrario en otras direcciones.

Coeficiente dilatación

dInL· i crQ'L - dT ~ L.'~T

Para solidos:

Y para gases

.

2.4 x 10-5Al u mi n io

L a tón 1.8 x 10-5

C o bre 1.7 x 10-5

V i d rio 0.7 a 0.9 x 10-5

Coeficientes de dilatación, constantes cuando el cambio es menor que 100°C

Material α (°C-1) Material α (°C-1)

H o rmi g ón 1.2 x 10-5

Ac e ro 1.2 x 10-5

H i erro 1.2 x 10-5

P la ta 3.0 x 10-5

Oro 1.5 x 10-5

Inv a r 0,04 x 10-5

Pl o mo 3.0 x 10-5

Zinc 2.6 x 10-5

C u arzo 0.04 x 10-5

H i e l o 5.1 x 10-5

D i am a nte 0.12 x 10-5

Grafito 0.79 x 10-5

Otros conceptos

La inercia térmica es la capacidad que tiene la masa de conservar la energía térmica recibida e ir liberándola progresivamente, disminuyendo de esta forma la necesidad de aportación de climatización. Eje: el suelo

Un colectores de energía solar en un dispositivo capaz de transformar la energía térmica proveniente del sol en otro tipo de energía.

La refractariedad es la capacidad tiene un material para mantener sus moléculas ordenadas ante el aumento de la temperatura, y por tanto conservar sus propiedades mecánicas y su forma.

Un combustible es una sustancia que libera energía térmica cuando reacciona, esta energía potencial reside en la organización de los átomos de la sustancia.

Fuentes

http:/ / termo d ina m ic a .us.e s /materiales/ t ran s /Leccion3.pdf

Quimica, la ciencia central- Brown Lemay Bursten

http:/ / sr v 2.fis.pu c .cl/medi a wi k i/ i n d ex.php/Cond u c t ividad_T% C 3 %A 9 rmic a _ (Fis_15 2 )

http:/ / w w w.d e finicio n a b c. c om / ci e ncia/en e r g i a - ter m ica . p h p

http://www.construmatica.com/construpedia/Conductividad_T%C3%A9rmica