Este documento resume las principales propiedades térmicas de los materiales, incluida la capacidad calorífica, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica y la resistencia al choque térmico. Explica cómo se definen y miden estas propiedades y cómo varían entre los cerámicos, polímeros y metales. También analiza cómo estos factores afectan la respuesta de los materiales al calor y las tensiones térmicas, y cómo optimizar la resistencia al choque térmico.

1. Algunos preguntas a tener en cuenta...
• ¿Como responden los materiales al calor?
• ¿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?
1
PROPIEDADES TÉRMICAS

2. 2
CAPACIDAD CALORIFICA
• General: habilidad de los materiales
de absorber calor.
• Cuantitativo: La energía requerida para incrementar
la Temperatura de un material.
C = dQ
dT
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.
¿Porque nos interesaría medir la capacidad
calórifica de un material?

3. CAPACIDAD CALORIFICA vs. T
3
• 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

4. Como se diferncian Cp de Cv

5. CAPACIDAD CALORIFICA: COMPARACIÓN
Material Cp (J/kg-K) a T ambiente
Polimeros
Polietileno 2100
Polipropileno 1880
Poliestireno 1360
Teflon 1650
Ceramicos
Magnesia (MgO) 940
Vidrio de sosa y cal 840
Alumina (Al2O3) 775
Metales
Aluminio 900
Acero 486
Tungsteno 142
Oro 130
4
Aumenta Cp
¿Por qué es cp mucho más grande para los polímeros?

6. EXPANSIÓN TÉRMICA
• Los materiales cambian el tamaño cuando son calentados
5
−
final inicial −
= α(T T )
L L
• Desde el punto de vista atómico: La longitud media de enlace
aumenta con T
L
final inicial
inicial
coeficiente de expansión
térmica (1/K)

7. 6
EXPANSIÓN TÉRMICA: COMPARASIÓN
• Polymers
Polypropylene
Polyethylene
Polystyrene
Teflon
α (10 -6/K)
at room T
145-180
106-198
90-150
126-216
• Ceramics
Magnesia (MgO)
Alumina (Al 2O3)
Soda-lime glass
Silica (cryst. SiO 2)
13.5
7.6
9
0.4
• Metals
Aluminum
Steel
Tungsten
Gold
23.6
12
4.5
14.2
increasing α
Material
¿Por qué, generalmente, disminuye el coeficiente de
expansión con el aumento de la energía de enlace?

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

9. 7
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
• General: la abilidad de un maetiarl de transferir calor.
• Cuantitativo:
q = −k
dT
dx
Gradiente de
temperatura
Conductividad térmica (J/m-K-s)
Flujo de calor
(J/m2-s)
T1 T2 > T1
x1 heat flux x2
• Punto de vista atómico: Vibración atómica en regiones mas
con mayor temperatura llevan energía (vibracional) a regopmes
más frias.

10. Conductividad térmica: COMPARACIÓN
Material k (W/m-K)
Metales
Oro 315
Aluminio 247
Tungsteno 178
Acero 52
Ceramicos
Magnesia (MgO) 38
Alumina (Al2O3) 39
Vidrio de sosa y cal 1.7
Silica (SiO2) 1.4
Polimeros
Polietileno 0.46-0.50
Teflon 0.25
Poliestireno 0.13
Polipropileno 0.12
4
Aumenta k
¿Cómo son los mecanismos de transferencia de calor en estos
materiales?

11. THERMAL STRESS
• 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?
= e = α(T T )
9
L
DL
termico ambiente
ambiente
−
Troom
Lroom
T
ΔL
compressive σ keeps ΔL = 0
100GPa 20 x 10-6 /C
s = E( e ) Eαα( T ) termico ambiente − = - −
-172MPa Answer: 106C 20C

12. Resistencia a choque térmico
• Ocurre debido a: calentamiento enfriamiento inhomogeneo.
• Ej: Supongamos que una capa fina es enfriada rápidamente de T1 to T2:
Tension desarrollada en la superficie
s
(T T ) = f
Eα
1 2 fractura −
(T T )= tasa de enfriamient 1 2 −
k
10
σ = −Eα(T1 − T2 )
Diferencia de temperatura crítica para
fractura (para σ = σf)
Diferencia de T producida por
el enfriamiento:
igualados
s k
(tasa de enf ) μ f
• Resultado:
• Alta resistencia al choque térmico cuando σ f k es grande.
Eα
E α
para fractura .

13. Medidas para reducción de CT
y aumento de TSR en cerámicos
• Alterar la condiciones externas = minimizar
gradientes de temperatura
• Modificar características térmicas y mecánicas en
σ
E
k
TSR = f
1 α
• Eliminando tensiones térmicas, aumentando así la
resistencia a la tracción ( σ
f ) a partir de un
tratamiento térmico de recocido.

14. 11
Sistema de protección térmico
• Aplicación:
• Azulejos de silica (400-1260C):
Re-entry T
Distribution
--aplicaciones de larga escala --microestructura:
100 μm
~90% porosidad!
Fibras de Si enlazadas
durante tratamiento
térmico
reinf C-C
(1650°C)
silica tiles
(400-1260°C)
nylon felt, silicon rubber
coating (400°C)

15. • 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.
12
Maximizar σfk/Eα.
Resumen

16. Conductividad térmica en aleaciones

17. Conductividad térmica en cerámicos