PROPIEDADES TERMICAS

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1 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 CALOR -LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA -LA REFRACTARIEDAD (RESISTENCIA PIROSCÓPICA) SON PROPIEDADES MUY IMPORTANTES EN LA UTILIZACIÓN PRÁCTICA DE LOS MATERIALES Y, EN PARTICULAR, DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS. PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO CUANDO SE CALIENTA UN MATERIAL 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 A NECESARIA PARA AUMENTAR LA TEMPERATURA DEL MATERIAL EN UNA UNIDAD. Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol de material C (J/mol.K), obteniéndose la capacidad calorífica molar, que puede ser a volumen constante,c V o a presión constante, C P.

2 C P C = V PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO LA MAGNITUD DE C P ES MÁS FÁCIL DE MEDIR Y SIEMPRE ES MAYOR QUE C V. SIN EMBARGO, ESTA DIFERENCIA ES MUY PEQUEÑA PARA LA MAYORÍA DE LOS MATERIALES SÓLIDOS A TEMPERATURA AMBIENTE E INFERIORES. 2 9α VT K C C = R ( = 8.31 J / K. mol) α = Coeficiente de dilatación térmica lineal K = Módulo de elasticidad volumétrica = - P/( V/V), es decir el cociente entre el cambio de presión y la disminución relativa de volumen V = Volumen T = Temperatura absoluta P PARA LOS GASES IDEALES SE TIENE: Para los sólidos la diferencia entre Cp y Cv es muy pequeña, ya que el valor de α es muy pequeño y el de K grande. A temperatura ambiente la diferencia para los sólidos es del 5 %. V PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO A VECES SE UTILIZA EL CALOR ESPECÍFICO (A MENUDO REPRESENTADO POR Ce). ESTE REPRESENTA LA CAPACIDAD CALORÍFICA POR UNIDAD DE MASA (J/Kg.K) Y SE DEFINE COMO LA CANTIDAD DE CALOR QUE HAY QUE COMUNICAR A LA UNIDAD DE MASA CON EL FIN DE ELEVAR UN GRADO SU TEMPERATURA, ES DECIR: c e ΔQ = m Δ T

3 PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO EN EL AÑO 1819 LOS CIENTÍFICOS FRANCESES P. DULONG Y A. PETIT ESTABLECIERON EXPERIMENTALMENTE UNA LEY DE ACUERDO CON LA CUAL LA CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR DE TODOS LOS SÓLIDOS, A TEMPERATURAS SUFICIENTEMENTE ALTAS, ES UNA MAGNITUD CONSTANTE INDEPENDIENTE DE LA TEMPERATURA E IGUAL, APROXIMADAMENTE A: 3R = 25 J/Mol.K SIENDO: R = CONSTANTE GASES PERFECTOS = N A K B = J/MOL.K ESTO SIGNIFICA QUE CUANDO UN SÓLIDO CUALQUIERA SE CALIENTA UN KELVIN, CADA UNO DE SUS ÁTOMOS ABSORBE UNA MISMA CANTIDAD DE ENERGÍA N A = NÚMERO DE AVOGADRO =6.02 X ÁTOMOS (O MOLÉCULAS) K B = CONSTANTE DE BOLTZMANN = 1.38 X J/ÁTOMOS.K, O 8.62 X 10-5 EV/ÁTOMOS.K PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO LA BUENA COINCIDENCIA DE LOS DATOS EXPERIMENTALES CON LOS TEÓRICOS SÓLO SE MANIFIESTA CUANDO LAS TEMPERATURAS SON LO SUFICIENTEMENTE ALTAS. A BAJAS TEMPERATURAS, SE OBSERVAN DESVIACIONES DE LA LEY DE DULONG Y PETIT Y LA DEPENDENCIA DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA DE LOS SÓLIDOS CON LA TEMPERATURA, TIENE LA FORMA QUE SE MUESTRA EN LA FIGURA

4 PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO

5 PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO 1.- Calor específico de un material. Sean dos materiales A y B, tales que el calor específico de A es mayor que el de B, es decir c ea > c eb A una cantidad de masa igual para los dos, que esta a temperatura ambiente, se les suministra la misma cantidad de calor durante el mismo período de tiempo, Cuál de ellos tendrá mayor temperatura al final del calentamiento?. 2.- A una cantidad de masa igual de dos materiales A y B ( m = m ) A B que están a temperatura ambiente, se les suministra la misma cantidad de calor durante el mismo período de tiempo. Al final se tiene que la temperatura del material A es mayor que la del B ( T > T ) Cuál de ellos tendrá mayor calor específico?. A B

6 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA LOS FENÓMENOS QUE DAN LUGAR A LA VARIACIÓN DE DIMENSIONES CON LA VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA SON: 1.- DILATACIÓN TÉRMICA REVERSIBLE (COEFICIENTE α), QUE ES UNA CARÁCTERÍSTICA INTRÍNSECA DEL MATERIAL RELACIONADA CON LA ENERGÍA DEL ENLACE QUÍMICO 2.- CAMBIOS POLIMÓRFICOS, CORRESPONDIENTES A TRANSFORMACIONES DE FASE CON VARIACIÓN DE VOLUMEN (ΔV). PUEDEN SER REVERSIBLES O IRREVERSIBLES 3.- SINTERIZACIÓN, DURANTE LA CUAL SE PUEDEN PRODUCIR REORDENACIONES, CRECIMIENTO DE GRANOS, NUCLEACIÓN DE POROS Y DENSIFICACIÓN 4.- REACCIONES INVARIANTES, TALES COMO CRISTALIZACIONES, DISOLUCIONES Y EXOLUCIONES Y FUSIONES. PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA

7 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA

8 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA

9 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA EN LA FIGURA SE INDICAN LAS DILATACIONES LINEALES REVERSIBLES DE ALGUNOS MATERIALES REFRACTARIOS. 1 magnesia 2 cromo magnesia 3 cromita 4 sílice 5 óxido de circonio 6 corindón 99 7 corindón 90 8 chamota 9 silimanita 10 circonio 11 carburo de silicio

10 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA RESULTANDO FINALMENTE:

11 PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA LA UTILIDAD DE LA INFORMACIÓN SUMINISTRADA POR LOS ESTUDIOS DILATOMÉTRICOS ES IMPORTANTE 1.- EN LA FABRICACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS. - CURVAS DE SECADO Y COCCIÓN. - SINTERIZACIÓN 2.- EN LA UTILIZACIÓN DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS. -PREVISIÓN DE CAMBIOS DIMENSIONALES Y FORMAS -DISEÑO DE ESTRUCTURAS O MAMPOSTERÍAS REFRACTARIAS -TENSIONES TERMOMECÁNICAS EN EL INTERIOR DE PIEZAS DE MATERIALES COMPUESTOS (POLIFÁSICOS) - RESPUESTAS A LOS CHOQUES TÉRMICOS ASOCIADAS A EXPANSIONES Y CONTRACCIONES. -COMPORTAMIENTO ANTE LOS CICLOS TÉRMICOS -RESISTENCIA AL DESCONCHADO (SPALLING) -TENSIONES ENTRE ELEMENTOS DEL REVESTIMIENTO REFRACTARIO - CALCULO DE JUNTAS DE DILATACIÓN ADECUADAS, PARA QUE NO QUEDEN ABIERTAS LO QUE DARIA LUGAR A UN AFLOJAMIENTO DE LA MAMPOSTERÍA Y SE PRODUCIRIAN FUGAS O PARA QUE NO SE APRIETEN PRODUCIENDO CARGAS DE PRESIÓN QUE PUEDEN CAUSAR ROTURAS.

12 PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA

16 PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD LA RESISTENCIA TÉRMICA O REFRACTARIEDAD DE UN MATERIAL ESTÁ LIGADA A SU PUNTO DE FUSIÓN SÓLO LOS COMPUESTOS PUROS TIENEN UN PUNTO DE FUSIÓN VERDADERO DEFINIDO. PARA UN COMPUESTO PURO EL PUNTO DE FUSIÓN ES LA TEMPERATURA A LA CUAL SE VERIFICA EL CAMBIO DE FASE O LA TRANSFORMACIÓN DEL ESTADO SÓLIDO AL LÍQUIDO DE UN DETERMINADO CONSTITUYENTE (SOLIDO LIQUIDO) La temperatura durante el cambio de estado no varía, pues aplicando la regla de las fases: F + L = C + 2 y si se fija la presión: F + L = C + 1 entonces como C = 1 y F = 2 resulta que L = 0. PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD LOS MATERIALES REFRACTARIOS, SALVO ALGUNOS CASOS, NO SON COMPUESTOS PUROS, Y EN REALIDAD PRESENTAN UN INTERVALO DE REBLANDECIMENTO, POR LO QUE AMBOS TÉRMINOS NO DEBERÍAN UTILIZARSE INDISCRIMINADAMENTE CABE MÁS BIEN HABLAR DE PUNTO DE REBLANDECINIENTO, FLUENCIA PLÁSTICA O, A LO SUMO, DE PUNTO MEDIO DE FUSIÓN YA QUE ÉSTA ES SIEMPRE GRADUAL AL SER DIFERENTE PARA LOS DIVERSOS COMPUESTOS QUE INTEGRAN EL MATERIAL. EL REBLANDECIMIENTO ES MÁS SIGNIFICATIVO QUE EL PUNTO DE FUSIÓN VERDADERO, YA QUE UN MATERIAL ES DE RELATIVO VALOR REFRACTARIO SI SE DEFORMA A PARTIR DE 1500 ºC, AUNQUE LA FUSIÓN COMPLETA NO SE PRODUZCA HASTA QUE SE ALCANCEN LOS 1700 ºC EL REBLANDECIMIENTO ES DEBIDO A QUE DETERMINADOS COMPONENTES (GENERALMENTE EN LA FASE VÍTREA ) FUNDEN ANTES QUE OTROS, FORMANDO CON LOS NO FUNDIDOS UNA MASA PLÁSTICA QUE SE DEFORMA POR SU PROPIO PESO O POR UNA CARGA APLICADA. EL FENÓMENO DEPENDE, PUES, DE FACTORES TALES COMO LA PROPORCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO (LOS DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO ENTRE FASES PROPORCIONARÁN UNA VALIOSA INFORMACIÓN AL RESPECTO ), LA VISCOSIDAD DEL LÍQUIDO QUE SE FORMA, EL TAMAÑO DE LOS CRISTALES, ETC.

17 PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD POR EL HECHO DE INFLUIR EN LA RESPUESTA DEL MATERIAL FACTORES EXTRÍNSECOS CONO LA VELOCIDAD DE CALENTAMIENTO, DIMENSIÓN Y FORMA DE LA NUESTRA, ATMÓSFERA DEL HORNO, ETC, SE HACE NECESARIO EN LA PRÁCTICA RECURRIR A ENSAYOS NORMALIZADOS PARA DETERMINAR ESTA PROPIEDAD A PESAR DE LA EXISTENCIA DE OTRAS TÉCNICAS MÁS MODERNAS, PARA DETERMINAR ESTA PROPIEDAD SE SIGUE UTILIZANDO UNO DE LOS MÉTODOS MÁS ANTIGUOS (SEGER, 1886), CONOCIDO COMO CONOS PIROMÉTRICOS EQUIVALENTES (CPE) ESTÁ BASADO EN LA COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMIENTO DE PANDEO DE PROBETAS CÓNICAS O TETRAEDRICAS CON ELEMENTOS PIROMÉTRICOS PATRÓN DE IDÉNTICAS DIMENSIONES Y FORMA (CONO PIROMÉTRICO EQUÍVALENTE Ó C.P.E., REFERIDO A CONOS SEGER) PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD EL MATERIAL A ENSAYAR (CORTADO O MOLDEADO EN FORMA DE CONO O DE PIRÁMIDE RECTANGULAR) SE DISPONE SOBRE UN LADRILLO REFRACTARIO DE ALTA ALÚMINA Y SE FIJA AL MISMO MEDIANTE UN CEMENTO ALUMINOSO. CONJUNTAMENTE SE DISPONEN SOBRE LA BASE REFRACTARIA DE ALTA ALÚMINA UNA SERIE DE CONOS PIROMÉTRICOS ENTRE LOS CUALES SE SOSPECHA QUE PUDIERA ENCONTRARSE EL MATERIAL A ENSAYAR LAS PROBETAS Y LOS CONOS PIROMÉTRICOS ESTARÁN FIJADOS DE TAL FORMA QUE EL ÁNGULO FORMADO CON LA VERTICAL POR LA ARISTA O LA CARA OPUESTA, SEGÚN EL CASO, (LA CARA O LA ARISTA DE LOS CONOS DEBE ESTAR INCLINADA HACIA AFUERA EN LA MISMA POSICIÓN QUE LA UTILIZADA POR EL FABRICANTE PARA EL CONTRASTE DE LOS CONOS PATRÓN), SEA DE 8±1 º (VER FIGURAS Y 4.4.2). EL CONJUNTO SERÁ SECADO LOS CONOS PIROMÉTRICOS A UTILIZAR SERÁN SELECCIONADOS DE LA SIGUIENTE FORMA: ADEMÁS DEL CONO PIROMÉTRICO (O DEL PAR DE CONOS) CUYO NÚMERO CORRESPONDE A LA REFRACTARIEDAD PROBABLE DEL MATERIAL, SERÁN ELEGIDOS DOS CONOS PIROMÉTRICOS DEL NÚMERO INMEDIATAMENTE INFERIOR Y SUPERIOR; EL NÚMERO TOTAL DE CONOS PIROMÉTRICOS SERÁ CUATRO O SEIS.

18 PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD EJEMPLOS DE DISPOSICIÓN DE LOS CONOS PIROMÉTRICOS Y DE LA PROBETA DE MUESTRA. El soporte con los conos y las probetas se introducirá en el horno y estará colocado en la zona donde la temperatura es uniforme. Se elevará la temperatura hasta unos 200 ºC por debajo de la probable refractariedad del material en una hora y media ó dos horas. Después de lo cual, la velocidad de subida de la temperatura será a una media constante é igual a 2.5 ºC por minuto, de forma que en todo momento la diferencia entre la temperatura real y la curva teórica de subida sea inferior a 10 ºC. Esta velocidad de 2.5 ºC por minuto corresponderá a un intervalo de tiempo de casi ocho minutos entre las caidas de dos conos pirométricos consecutivos. El calentamiento se detiene tan pronto como la punta de una de las probetas toma contacto con el soporte.

19 PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD LA TEMPERATURA DE REBLANDECIMIENTO DETERMINADA A PARTIR DE LOS CONOS PIROMÉTRICOS ES UNA FUNCIÓN DE LA FORMA Y TAMAÑO DEL CONO, DE LA VELOCIDAD DE CALENTAMIENTO Y DE LA ATMÓSFERA DEL HORNO. 1.- A MAYOR TAMAÑO DE CONO LA TEMPERATURA DE REBLANDECIMIENTO DISMINUYE 2.- A MAYOR VELOCIDAD DE CALENTAMIENTO LA TEMPERATURA DE REBLANDECIMIENTO AUMENTA 3.- LOS CONOS DE ENSAYO QUE SE ENCUENTREN SOMETIDOS A UNA ATMÓSFERA REDUCTORA RARAS VECES SE DOBLAN DE UN MODO SUAVE (EL PUNTO DE REBLANDECIMIENTO DE ALÚMINAS DE ALTA CALIDAD ESTÁ POCO INFLUENCIADO POR LAS CARACTERÍSTICAS DE LA ATMÓSFERA DEL HORNO, SIN EMBARGO, LA PRESENCIA DE ÓXIDO DE HIERRO PROVOCA UN MARCADO EFECTO SOBRE EL ABLANDAMIENTO DEL CONO)

20 PROPIEDADES TERMICAS / REFRACTARIEDAD Debe de tomarse únicamente como temperatura de reblandecimiento el momento en que el cono ensayado cae gradualmente hasta que la punta toca su base tal y como ocurre en la situación de la figura a. Cuando un cono inclina su base (Figura b) es probable que exista una interacción entre el cono y la placa que lo sustenta. Por otra parte, algunos materiales, no adoptarán posiciones definidas durante el ensayo sino que se derrumbaran o hincharan (Figuras c y d). Diferente comportamiento de los conos refractarios durante el calentamiento PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ES UNA PROPIEDAD MUY IMPORTANTE A LA HORA DE ELEGIR EL MATERIAL MÁS ADECUADO DESDE EL PUNTO DE VISTA DE AISLAMIENTO TÉRMICO. EN GENERAL, EN LOS MATERIALES REFRACTARIOS, Y ESPECIALMENTE EN LOS AISLANTES, SE REQUIERE UNA BAJA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA AL OBJETO DE MINIMIZAR LAS PÉRDIDAS DE CALOR POR LAS PAREDES DE LOS HORNOS INDUSTRIALES, ETC

21 LA TRANSMISIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE UN MATERIAL REFRACTARIO ES UN FENÓMENO DE TRANSPORTE COMPLEJO, DEBIDO A QUE AL SER UN SÓLIDO POROSO INTERVIENEN EN ÉL, EN MAYOR O MENOR GRADO, LOS TRES MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR: - CONDUCCION (EN EL SÓLIDO Y EN EL GAS ENCERRADO EN LOS POROS) - CONVECCION (EN EL GAS) - RADIACION (EN EL GAS)

22 PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA

23 PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA

32 PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA Modelos de distribución de dos fases o componentes en un material compuesto. (a).- Láminas paralelas que pueden estar orientadas paralela o perpendicularmente a la dirección del flujo de calor. (b).- Fase matriz continua, con una dispersión de partículas discontinua (c).- Grandes granos aislados separados por fase continua minoritaria.

36 PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA Se deduce que el efecto de la radiación sobre la conductividad en los poros es proporcional a su diámetro y al cubo de la temperatura absoluta. Así, los poros de mayor tamaño contribuyen a aumentar la conductividad térmica a altas temperaturas, mientras que los poros de pequeño tamaño son una buena barrera al flujo de calor. En la figura se da conductividad térmica efectiva de una circona, con un 20 % de porosidad, en función de la temperatura y del tamaño de los poros y de la emisividad o emitancia

38 PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA PROPIEDADES TERMICAS / CHOQUE TERMICO σ x ε x = E σ x εy = εz = υεx = υ E

39 PROPIEDADES TERMICAS / CHOQUE TERMICO PROPIEDADES TERMICAS / CHOQUE TERMICO

43 Bi = hl k L V = A

45 PROPIEDADES TERMICAS / CHOQUE TERMICO

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