Algunos preguntas a tener en cuenta...

• ¿Como responden los materiales al calor?

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• ¿Cómo definimos y medimos...--capacidad calorica--coeficiente de expansión térmica--conductividad térmica--resistencia al choque térmico

• ¿como se clasifican los cerámicos, polímeros y metales en base las propiedades térmicas?

PROPIEDADES TÉRMICAS

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• General: habilidad de los materialesde absorber calor.

• Cuantitativo: La energía requerida para incrementarla Temperatura de un material.

C =

dQdT

Capacidad calorifica(J/mol-K)

Energía entrante (J/mol)

Cambio de temperatura (K)

• Dos manera de medir la capacidad calorica:-- Cp : capacidad calorica a presión constante.-- Cv : capacidad calorica a volumen constante.

CAPACIDAD CALORIFICA

¿Porque nos interesaría medir la capacidad calórifica de un material?

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• La capacidad calórifica...--aumenta con la temperatura--converge al valor límite 3R

• Desde el punto de vista atómico:--Energía es acumululada en vibraciones atómicas.--A medida que aumenta T aumenta la energía promedio

acumulada en forma de vibraciones atómicas

CAPACIDAD CALORIFICA vs. T

Como se diferncian Cp de Cv

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CAPACIDAD CALORIFICA: COMPARACIÓN

¿Por qué es cp mucho más grande para los polímeros?

Material Cp (J/kg-K) a T ambiente

PolimerosPolietileno 2100Polipropileno 1880Poliestireno 1360Teflon 1650CeramicosMagnesia (MgO) 940Vidrio de sosa y cal 840Alumina (Al2O3) 775MetalesAluminio 900Acero 486Tungsteno 142Oro 130

Aumenta Cp

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• Los materiales cambian el tamaño cuando son calentados

• Desde el punto de vista atómico: La longitud media de enlace aumenta con T

)Tα(T=L

LLinicialfinal

inicial

inicialfinal −−

coeficiente de expansióntérmica (1/K)

EXPANSIÓN TÉRMICA

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• PolymersPolypropylene Polyethylene Polystyrene Teflon

145-180 106-198 90-150 126-216

α (10 -6/K) at room T

• CeramicsMagnesia (MgO) Alumina (Al 2O3) Soda-lime glass Silica (cryst. SiO 2)

13.5 7.6 9 0.4

• MetalsAluminum Steel Tungsten Gold

23.6 12 4.5 14.2

incr

easi

ng

α

MaterialEXPANSIÓN TÉRMICA: COMPARASIÓN

¿Por qué, generalmente, disminuye el coeficiente de expansión con el aumento de la energía de enlace?

Conceptos

¿Por que una tapa de lata envasé de vidrio se aflojara si se calienta?Si la tapa fuera de tungsteno, ¿Cuál sería el efecto al calentar la tapa y el envase? ¿por que?

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• General: la abilidad de un maetiarl de transferir calor.• Cuantitativo:

q = −k

dTdx

Gradiente detemperatura

Conductividad térmica (J/m-K-s)

Flujo de calor(J/m2-s)

• Punto de vista atómico: Vibración atómica en regiones mascon mayor temperatura llevan energía (vibracional) a regopmesmás frias.

T2 > T1 T1x1 x2heat flux

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

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Conductividad térmica: COMPARACIÓN

¿Cómo son los mecanismos de transferencia de calor en estos materiales?

Material k (W/m-K)

MetalesOro 315Aluminio 247Tungsteno 178Acero 52CeramicosMagnesia (MgO) 38Alumina (Al2O3) 39Vidrio de sosa y cal 1.7Silica (SiO2) 1.4 PolimerosPolietileno 0.46-0.50Teflon 0.25Poliestireno 0.13Polipropileno 0.12

Aumenta k

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• Ocurre debido a:--enfriamiento/calentamiento inhomogéneo--desajuste en expansión térmica.

• Ejemplo.--Un cilindro de latón se encuentra a t ambiente (20 C) libre de tensiones.--Se caliente impidiéndole el alargamiento en los extremos.--a que T el estrés llega a -172MPa?

)Tα(T=e=LDL

ambientetermicoambiente

−

TroomLroom

TΔL

compressive σ keeps ΔL = 0)TEαα()eE(=s ambientetermico −− -=

100GPa 20 x 10-6 /C

20CAnswer: 106C-172MPa

THERMAL STRESS

Eαs

=)T(T ffractura21 −k

tenfriamiendetasa=)T(T 21 −

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• Ocurre debido a: calentamiento enfriamiento inhomogeneo.• Ej: Supongamos que una capa fina es enfriada rápidamente de T1 to T2:

Tension desarrollada en la superficie

σ = −Eα(T1− T2)Diferencia de temperatura crítica parafractura (para σ = σf)

Diferencia de T producida porel enfriamiento:

igualados

• Resultado:

• Alta resistencia al choque térmico cuando es grande. σfkEα

Eαks

µ)enfde(tasa ffracturapara.

Resistencia a choque térmico

Medidas para reducción de CTy aumento de TSR en cerámicos

• Alterar la condiciones externas = minimizar gradientes de temperatura

• Modificar características térmicas y mecánicas en

1ασEk

TSR f=

• Eliminando tensiones térmicas, aumentando así la resistencia a la tracción a partir de un tratamiento térmico de recocido.

)( fσ

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• Aplicación:

• Azulejos de silica (400-1260C):--aplicaciones de larga escala --microestructura:

100 μm

~90% porosidad!Fibras de Si enlazadasdurante tratamiento térmico

reinf C-C (1650°C)

Re-entry T Distribution

silica tiles (400-1260°C)

nylon felt, silicon rubber coating (400°C)

Sistema de protección térmico

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• Un material responde al calor a partir de:--aumento de la energía vibracional--redistribución de la energía para llegar a un equilibrio térmico.

• Capacidad calorífica:--energía requerida para aumentar la una unidad de T una unidad de masa.--los polímeros tiene los valores mas altos.

• Coeficiente de expansión térmica:--esfuerzo libre de tensiones inducido por una unidad de TT.--los polímeros tienen los valores mas altos.

• Conductividad térmica:--habilidad de los materiales para transferir calor.--los metales tiene los valores mas altos.

• Resistencia al choque térmico:--habilidad de los materiales de ser enfriados/calentados sin sufrir fisuras.Maximizar σfk/Eα.

Resumen

Conductividad térmica en aleaciones

Conductividad térmica en cerámicos