Propiedades De Los Materiales

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Las propiedades de los materiales se clasifican en propiedades físicas, químicas y tecnológicas. Dentro de las propiedades físicas se estudian las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, además de otras propiedades como la densidad.

PROPIEDADES TERMICAS

Por "propiedad o característica 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 de las regiones calientes 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, la conductividad térmica y el calor latente son propiedades muy importantes en la utilización práctica de los materiales y, en particular, de los materiales refractarios.

Calor específico

Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor del calor específico depende del valor de la temperatura inicial. Se le representa con la letra (minúscula).

De forma análoga, se define la capacidad calorífica como la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Se la representa con la letra (mayúscula).

Por lo tanto, el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa, esto es donde es la masa de la sustancia.

El calor específico es una propiedad intensiva de la materia, por lo que es representativo de cada materia; por el contrario, la capacidad calorífica es una propiedad extensiva representativa de cada cuerpo o sistema particular.3 (Ver tabla en: Calor específico y capacidad calorífica de algunos materiales.)

Cuanto mayor es el calor específico de las sustancias, más energía calorífica se necesita para incrementar la temperatura. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa.

El término "calor específico" tiene su origen en el trabajo del físico Joseph Black, quien realizó variadas medidas calorimétricas y usó la frase “capacidad para el calor”.4 En esa época la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que actualmente el término podría parecer inapropiado; tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de energía calorífica específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.

A continuación se muestran calores específicos a 20°C de varios polímeros.

Policloruro de vinilo 0,22

Poliestireno 0,30

Poliamidas 0,40 -0,50

Polietileno 0,55

Agua 1,00

Ecuaciones básicas

El calor específico medio ( ) correspondiente a un cierto intervalo de temperaturas se define en la forma:

Donde es la transferencia de energía en forma calorífica entre el sistema y su entorno u otro sistema, es la masa del sistema (se usa una n cuando se trata del calor específico molar) y es el incremento de temperatura que experimenta el sistema. El calor específico ( ) correspondiente a una temperatura dada se define como:

El calor específico ( ) es una función de la temperatura del sistema; esto es, . Esta función es creciente para la mayoría de las sustancias (excepto para los gases monoatómicos y diatómicos). Esto se debe a efectos cuánticos que hacen que los modos de vibración estén cuantizados y sólo estén accesibles a medida que aumenta la temperatura. Conocida la función , la cantidad de calor asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial a la final se calcula mediante la integral siguiente:

En un intervalo donde la capacidad calorífica sea aproximadamente constante la fórmula anterior puede escribirse simplemente como:

Unidades de calor específico

En el sistema internacional de unidades, el calor específico se expresa en joules por kilogramo y por kelvin (j•kg−1•k−1); otra unidad, no perteneciente al sí, es la caloría por gramo y por kelvin (cal•g−1•k−1). Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g•k) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión atmosférica; y exactamente 1 cal•g−1•k−1 en el intervalo de 14,5 °c a 15,5 °c (por la definición de la unidad caloría).

Materiales de construcción

Estos datos son de utilidad al calcular los efectos del calor sobre los materiales que formen un edificio:

Sustancia Estado de agregación

cp

J g−1 K−1

Asfalto

sólido 0,92

Ladrillo

sólido 0,84

Hormigón

sólido 0,88

Vidrio, sílice

sólido 0,84

Vidrio, crown

sólido 0,67

Vidrio, flint

sólido 0,503

Vidrio, pyrex

sólido 0,876

Granito

sólido 0,790

Yeso

sólido 1,09

Mármol, mica

sólido 0,880

Arena

sólido 0,835

Suelo

sólido 0,80

Madera

sólido 0,49

Definición de Conductividad Térmica

La Conductividad Térmica (λ con unidades W/ (m•K) describe el transporte de energía – en forma de calor – a través de un cuerpo con masa como resultado de un gradiente de temperatura (ver fig. 1). De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.

La relación entre el calor transportado por unidad de tiempo (dQ/dt o flujo de calor Q) y el gradiente de temperatura (ΔT/Δx) a través de un área A (el área a través de la cual el calor fluye perpendicularmente a un ritmo estacionario) está descrita por la ecuación de la conductividad térmica.

Fig. 1:

Esquema describiendo el concepto de conductividad térmica con T1 > T2

La Conductividad Térmica es, por consiguiente, una propiedad específica de cada material usada para caracterizar el transporte de calor en ritmo estacionario. Se puede calcular usando la siguiente ecuación:

Donde a: Difusividad térmica cp: Capacidad Calorífica Específica ρ: Densidad

CONCEPTOS

Este es un mecanismo molecular de transferencia de calor que se genera por la excitación de las moléculas.

Se presenta en todos los

...