Unidad11 CARACTERISTICAS TERMICAS DE LOS MATERIALES

Transcripción

1 Unidad11 CARACTERISTICAS TERMICAS DE LOS MATERIALES 11 1 PRESENTACION Algunas aplicaciones industriales importantes requieren la utilización de materiales con propiedades térmicas específicas, imprescindibles para el correcto funcionamiento del dispositivo o equipo en cuestión. así ocurre, por ejemplo, en un intercambiador de calor, cuyo rendimiento depende directamente de la conductividad térmica del material empleado en su construcción. En otros casos, estas propiedades no son tan determinantes, pero deberán ser tenidas en cuenta a la hora de seleccionar el material idóneo. Así, por ejemplo, un coeficiente de dilatación alto puede dar lugar a tensiones térmicas importantes en piezas con responsabilidad mecánica. Las propiedades térmicas como el calor específico o los coeficientes de dilatación son importantes en piezas sometidas a fuertes gradientes de temperatura, como la estructura y recubrimiento de los hornos. Tanto el calor específico como el coeficiente son prácticamente invariantes con la estructura policristalina, dependiendo fundamentalmente del tipo de enlaces y de las características de la red cristalina básica. La conductividad térmica, en cambio, sí se ve notablemente afectada por la estructura policristalina. La conductividad térmica es un parámetro fundamental en dispositivos donde la transmisión de calor sea determinante de su eficacia, como ocurre con los ya citados intercambiadores de calor o, en el caso contrario, en los sistemas de aislamiento térmico. 2 PROPIEDADES TERMICAS DE LOS MATERIALES. INDICADORES La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prácticamente todas las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varía, por lo que los efectos térmicos sobre FCM 11 / 131

2 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales estas propiedades deberán tenerse en cuenta siempre a la hora de dimensionar o seleccionar el material idóneo. En efecto, 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 del material: la capacidad calorífica o su equivalente calor específico, de su conductividad térmica y de su coeficiente de dilatación. Analizaremos por separado cada uno de ellos. 2.1 CAPACIDAD CALORIFICA Y CALOR ESPECIFICO Se define la capacidad calorífica o capacidad térmica molar como la energía necesaria para hacer variar en 1 K la temperatura de un mol de material. En los sólidos se trabaja usualmente con el valor C p, definido como al capacidad calorífica a presión constante. Desde el punto de vista de la ingeniería de materiales es más usual trabajar con el concepto de calor específico a presión constante C e, que se define como la energia necesaría para hacer variar en 1 K la temperatura de un gramo del material. La relación entre C e y C p viene dada por: p C e = C P a (11.1) siendo P a el peso atómico del material. 2.2 DILATACION TERMICA Al aumentar la temperatura, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un incremento en la distancia interatómica d 0 de equilibrio, y por tanto haciendo aumentar las dimensiones del material. El cambio de dimensión dl por unidad de longitud y por grado centígrado (o absoluto) de temperatura está dado por la expresión: α = dl L dt donde α se define como el coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación. (11.2) El conocimiento del coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación permite determinar los cambios dimensionales que sufre el material como consecuencia de un cambio en su temperatura. L T = L T (1 + α [T - T 0 ]) (11.3) 0 La determinación experimental del coeficiente de dilatación correspondiente a un material en un rango de temperaturas dado se realiza con ayuda de un dilatómetro. Los fundamentos de la dilatometría y los registros característicos se presentaron en la unidad correspondiente a las transformaciones isotérmicas de la austenita, como herramienta para la determinación de cambios de fases en estado sólido. FCM 11 / 132

3 2.3 CONDUCTIVIDAD TERMICA Unidad 11 - Características térmicas de los materiales La conductividad térmica k es una propiedad de los materiales que determina la velocidad a la que el calor se transmite en el material, siendo un factor de máxima importancia en aplicaciones que involucren la transferencia de calor: moldes de solidificación, intercambiadores, pantallas aislantes, etc. La ecuación fundamental que regula el flujo de calor Q por unidad de tiempo a través de una sección A, cuando existe un gradiente de temperatura dt/dx, viene dada por la expresión, ya conocida por física fundamental: Q = k dt dx (11.4) SOBRE LOS INDICADORES DE LAS PROPIEDADES TERMICAS DE LOS MATERIALES SOBRE LA DILATACION TERMICA Objetivo de la experiencia Obtener el coeficiente de dilatación térmica en un metal. Observar su comportamiento al elevar la temperatura con el tiempo Materiales empleados Descripción del proceso y equipos Resultados obtenidos FCM 11 / 133

4 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales 3.2 SOBRE LA APLICACION EN INGENIERIA DE LA DILATACIÓN TERMICA Objetivo de la experiencia Conocer la aplicabilidad de la dilatación de los metales en ingeniería. Analizar también los problemas derivados de esta dilatación Materiales empleados Descripción del proceso de ensayo, equipos utilizados y probetas empleadas Describe los resultados obtenidos 3.3 SOBRE LA CONDUCTIVIDAD TERMICA Objetivo de la experiencia Observar la diferente respuesta a la transmisión del calor de distintos materiales metálicos y cerámicos. Obtener el coeficiente de conductividad térmica. FCM 11 / 134

5 Unidad 11 - Características térmicas de los materiales Materiales empleados Descripción del proceso de ensayo, equipos utilizados y probetas empleadas Resultados obtenidos 3.4 SOBRE EL EFECTO DEL CHOQUE TERMICO Objetivo de la experiencia Observar el efecto del choque térmico en diferentes materiales, analizando la respuesta de los mismos Materiales empleados Descripción del proceso de ensayo, equipos utilizados y probetas empleadas FCM 11 / 135

6 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales Resultados obtenidos 3.5 OBSERVACION MICROSCOPICA DE MATERIALES CERAMICOS Objetivo de la experiencia Observar en microscopía óptica preparaciones ceramográficas de diferentes materiales comerciales en estado de pulido y ataque, diferenciando las fases que aparecen en los mismos Materiales empleados Porcelana artística, solado de gres, azulejo, baldosa de barro cocido y cerámica de espodumeno Descripción de las microestructuras FCM 11 / 136

7 Unidad 11 - Características térmicas de los materiales 4 CUESTIONES PROPUESTAS POR LAS EXPERIENCIAS 1. Cómo puede explicarse el comportamiento geométrico del metal al aumentar la temperatura? 2. Indica diferentes ejemplos en los que se aplique la dilatación térmica en ingeniería. 3. Describe algunos ejemplos en los que resulta problemática la dilatación de los materiales. Explica como se le da solución. 4. Cómo pueden clasificarse los materiales según su conductividad térmica? 5. Pon algunos ejemplos en los que se utilice el material por su buena conductividad térmica. 6. Pon algunos ejemplos en los que el material se utiliza por sus propiedades de aislamiento térmico. 7. A qué se debe fundamentalmente los efectos del choque térmico? 8. Describe como puede obtenerse el coeficiente de dilatación térmica. 9. Describe como puede realizarse diferentes ensayos de choque térmico en los materiales, diferentes a los realizados en prácticas. 10. Indica, por bibliografía, diferentes valores de propiedades térmicas de los materiales cerámicos, metálicos y poliméricos más usuales en ingeniería. FCM 11 / 137

8 Cuaderno de Laboratorio - Fundamentos de Ciencia de los Materiales ALUMNO APELLIDOS: GRUPO DE PRÁCTICAS: NOMBRE: FECHA DE ENTREGA: RESPUESTAS DE LAS CUESTIONES A RESOLVER FCM 11 / 138