PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Calor y temperatura

➲ El calor es una forma de energía. El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia.

➲ Puede obtenerse de una transformación de otras formas de energía de acuerdo con la ley de la conservación de la energía, que dice: La energía no se crea ni se pierde, únicamente se transforma.

Equivalente mecánico del calor

➲ Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica.

➲ 1 cal = 4,18 J

➲ El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante.

➲ La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Calor y temperatura

Temperatura

➲ La temperatura es una medida de la energía molecular media.

➲ El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo.

➲ La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo.

(Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.)

Calor y temperatura

Capacidad Calorífica

➲ Es la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia en una unidad (kelvin o grado Celsius).

➲ Está dada por la ecuación: C = Q/T [J/K] Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura.➲ Se mide en Joules por kelvin (unidades del

SI).➲ La capacidad calorífica varía según la

sustancia.

Calor específico

➲ Se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.

➲ c = C/m Donde C es la capacidad calorífica, m es la

masa y c es el calor específico

Capacidad calorifica

➲ También se usa la unidad del sistema técnico, la kilocaloría por kilogramo y grado Celsius y su notación es: kcal/(kg*ºC).

➲ También existe la capacidad calorfíca molar en donde la masa de a sustancia se expresa en moles y cuya unidad en SI es el joule por mol y kelvin, J/(mol*K)

➲ Su unidad en el sistema SI es el joules por kilogramo y kelvin, J/(kg*K).

Una es la capacidad calórica mientras se mantiene el volumen constante, Cv

otra es manteniendo la presión exterior constante, denotada por Cp.

La magnitud de Cp es mayor que la de Cv, pero esta diferencia es muy pequeña para la mayoría de sólidos a T° ambiental y por debajo.

Formas de medir la Capacidad calorífica

L1-L0 = L0αL(T2 -T1)

V1-V0 =V0αV(T2 -T1)

Dilatación térmica

Medición de temperaturat(x) =ax + b Donde t: temperatura x propiedad de la sustancia. Las constantes a y b

dependen de la sustancia usada y deben ser evaluadas en dos puntos de temperatura específicos

Escalas de temperatura

➲ Fahrenheit fijó dos puntos: uno que corresponde a la temperatura de fusión del hielo, al que asignó un valor de 32; el otro punto fijo fue la temperatura del cuerpo humano, a éste le asignó un valor de 96

➲ Anders Celsius tomó como punto cero el punto de congelación del agua y como el otro extremo de referencia, 100 grados, su punto de ebullición; de este modo, dividió la escala en 100 partes iguales.

Escalas de temperaturas

➲ Kelvin determinó la temperatura mínima no a través de una mezcla frigorífica casual o una medida tomada al azar en un día muy frío, sino a través de cálculos que lo llevaron a la conclusión de que no puede existir una temperatura más baja que -273.15 grados Celsius

➲ Kelvin Colocó el punto cero de su escala de temperatura en el punto cero absoluto. Por razones prácticas, conservó el tamaño de las divisiones fijado por la escala Celsius y de esta manera el punto de congelación del agua es 273.15 K

Escalas de Temperatura

➲ °F=1.8°C+32➲ K=°C+273,16➲ K = (°F

+459.67) × 5⁄9

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

➲ Es el coeficiente que controla la velocidad detransferencia de calor por conducción (dQ/dt) a través de un área A, debido aun gradiente de temperatura (dT/dx). Se define mediante la ley de Fourier:

k = − (dQ/dt)/ A(dT / dx)

[J/s.m.K ]

Mecanismos de conductividad de calor

➲ por onda de vibración de la red (fonones)➲ por electrones libres

K= Kl+Ke

Kl: conductividad debida a la vibración de la red.

Ke: conductividad debida a los electrones.

Conduccion del calor en metales

En metales de alta pureza , el mecanismo de e- de transporte de calor es mucho mas eficiente que la contribución de los fonones porque los e- no son tan fácilmente dispersados como los fonones y tienen mayores velocidades.

Conductividad en cerámicas

➲ los fonones son los principales responsables para la conductividad térmica: ke es mucho mas pequeño que Kl.

➲ Los fonones no son tan efectivos como los e- libres en el transporte de la energía de calor, ya que los fonones se difunden por imperfecciones cristalinas.

Conductividad en polímeros

➲ Para ellos la transferencia de energía se lleva a cabo por la vibración y rotación de las cadenas de moléculas

Valores de conductividad termica

➲ Receptor de potencial transitorio