Propiedades Termicas de los materiales

1. PropiedadesTérmicas
Ing. Beliana de Cabello

3. Absorción de EnergíaTérmica

4. ConducciónTérmica
Es el fenómeno por medio del cual el calor se transporta de una
región de alta temperatura a una de baja temperatura de una
sustancia.

5. Mecanismos de ConducciónTérmica
• El calor se transporta en materiales sólidos por dos mecanismos:
• Onda de vibración de la red (fonones)
• Electrones libres.
• La conductividad térmica está asociada con estos dos mecanismos y la
conductividad total es la suma de las dos contribuciones.
K = Kl + Ke

6. Mecanismos de ConducciónTérmica
• La energía térmica vibracional de un material consiste en una serie de estas
ondas. Solamente están permitidos ciertos valores de energía (se dice que la
energía está cuantizada), y un cuanto de energía vibracional es lo que se
conoce como un fonón.
• Kl resulta de un movimiento neto de fonones de un cuerpo a través del cual
existe un gradiente de temperatura.

7. Mecanismos de ConducciónTérmica
• Ke resulta del movimiento de los electrones desde una región caliente
donde ganan energía cinética, hacia áreas frías, donde algo de esa energía
cinética se transfiere a los átomos como consecuencia de colisiones con
fonones u otras imperfecciones en el cristal.
• La contribución relativa de Ke a la conductividad térmica total se
incrementa con el incremento de las concentraciones de electrones libres
dado que habrá más electrones disponibles para participar en este proceso
de transferencia de calor.

9. ConducciónTérmica en metales
• El mecanismo de electrones de transporte de calor es mucho más eficiente
que la contribución de los fonones porque los electrones no son tan
fácilmente dispersados como los fonones y tienen mayores velocidades.
• Por ello, los metales son extremadamente buenos conductores del calor
porque tienen un número considerable de electrones libres que participan
en la conducción térmica.

10. Conducción en cerámicos y polímeros
• Los materiales cerámicos y poliméricos son considerados como aisladores
térmicos, ya que ellos no tienen gran número de electrones libres. Esto
quiere decir que los fonones son los principales responsables para la
conductividad térmica (Ke es mucho más pequeño que Kl).

11. Difusión
• Es un proceso físico irreversible, consiste en el flujo neto de átomos, iones u
otra especie dentro de un materia
• Las partículas se mueven de una región de alta concentración a un área de
baja concentración hasta obtener una distribución uniforme
• La difusión de fonones es mucho más efectiva cuando la estructura atómica
es altamente desordenada e irregular.
• Esta difusión se vuelve más pronunciada con el aumento de la temperatura

13. Porosidad
• La porosidad afecta
principalmente a los materiales
cerámicos.
• Un incremento en el volumen de
poro resultará en una reducción de
la conductividad térmica.

14. Conductividad térmica en polímeros
• La transferencia de energía se lleva a cabo
por la vibración y rotación de las cadenas de
moléculas.
• La magnitud de la conductividad térmica en
estos materiales depende del grado de
cristalinidad. Un polímero altamente
cristalino y ordenado estructuralmente
tendrá mayor conductividad que el
equivalente material amorfo.

15. Familia Material
ConductividadTérmica
(W/m°K)
Metales
Oro 315
Aluminio 247
Tungsteno 178
Acero 52
Cerámicos
Alumina (Al2O3) 39
Magnesia (MgO) 38
Vidrio de Sosa y Cal 1,7
Sílica (SiO3) 1,4
Polímeros
Polietileno 0,50
Teflón 0,25
Poliestireno 0,13
Polipropileno 0,12

16. Capacidad Calórica
• Es una propiedad extensiva, es decir, depende del tamaño o de la masa del
cuerpo
• Es indicativa de la habilidad de un material para absorber calor de los
alrededores. Esta representa la cantidad de energía requerida para producir
un aumento de la unidad de la temperatura 1°C o 1°K.
• Se mide en J/°C o J/°K
𝐶 =
𝑑𝑄
𝑑𝑇

17. Calor Específico o Capacidad Calórica Específica
• 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.
• Es una propiedad intensiva, no depende de la materia, y es un valor fijo para
cada sustancia.
• Representa la capacidad calórica por unidad de masa de un material y está
expresada en (J/kg°K) o (cal/kg°K).

18. Familia Material
CapacidadCalórica
(J/Kg°K)
Metales
Oro 130
Aluminio 486
Acero 900
Cerámicos
Vidrio de Sosa y Cal 840
Alumina (Al2O3) 775
Polímeros
Polietileno 2100
Teflón 1800
Poliestireno 1650
Polipropileno 1360

19. DilataciónTérmica
• La mayoría de los sólidos se expanden (se dilatan) cuando se calientan y se
contraen cuando se enfrían.
• Existe un coeficiente de dilatación que indica cuanto se expanden los
materiales bajo calentamiento y tiene unidades de temperatura recíproca
(1/ºC) (1/ºF)
• Desde el punto de vista atómico la dilatación térmica se refleja por un
incremento en el promedio de la distancia entre los átomos.

20. Familia Material
Coeficiente de
DilataciónTérmica
(10-6/°K)
Metales
Oro 14
Aluminio 23
Acero 12
Cerámicos
Alumina (Al2O3) 8
Magnesia (MgO) 14
Vidrio de Sosa y Cal 9
Sílica (SiO3) 0,4
Polímeros
Polietileno 106-198
Teflón 126-216
Poliestireno 90-150
Polipropileno 145-180

21. Temperatura de Fusión
• Es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido de una
sustancia, coexisten en equilibrio térmico, a una presión atmosférica.
Familia Material
Temperatura de Fusión
(°C)
Metales
Oro 1063
Aluminio 657
Acero 1580
Cerámicos
Alumina (Al2O3) 2000
Magnesia (MgO) 2798
Sílica (SiO3) 1715
Polímeros
Polietileno 115
Teflón 327
Polipropileno 150

22. Temperatura deTransiciónVítrea
• Es una propiedad de los materiales no cristalinos (amorfos).
• El términoTemperatura deTransiciónVítrea tuvo origen en los materiales
cerámicos, específicamente en el sílice (vidrio). Este nombre se hizo
extensivo a los polímeros y ahora a los metales amorfos.
Familia Material
Temperatura de
TransiciónVítrea (°C)
Cerámicos Alumina (Al2O3) 2000
Polímeros
Polietileno -120
Poliestireno 100
Polipropileno -25