Propiedades Térmicas de Materiales: Dilatación, Conductividad y Choque Térmico

Conceptos Fundamentales de Propiedades Térmicas

Este documento explora definiciones clave y comportamientos de materiales relacionados con la energía térmica y sus efectos.

Capacidad Calorífica y Calor Específico

La capacidad calorífica (Cp o Cv) es la energía necesaria para variar 1 K la temperatura de un mol de materia.

El calor específico (Ce) es la energía necesaria para variar 1 K la temperatura de un gramo de materia.

Dilatación Térmica y Dilatometría

La dilatación térmica ocurre cuando, al aumentar la temperatura, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un incremento en la distancia interatómica y, por tanto, haciendo aumentar las dimensiones del cristal. En algunas cerámicas, el coeficiente de dilatación térmica (α) es anisotrópico; incluso, algunas cerámicas pueden contraerse en una determinada dirección al ser calentadas mientras ocurre lo contrario en otras direcciones.

La dilatometría es una técnica de estudio de las transformaciones de fase en materiales sólidos. Por medio de incrementos controlados de temperatura, se cuantifica si el material manifiesta variaciones en su longitud y a qué temperatura se presentan las dilataciones o contracciones, según el cambio en las pendientes de las curvas.

Propiedades Térmicas de Polímeros

En los polímeros, la transferencia de energía se lleva a cabo por la vibración y rotación de las moléculas. Generalmente, son aislantes térmicos.

• Un polímero altamente cristalino y ordenado estructuralmente tendrá mayor conductividad térmica que uno amorfo.
• Sus propiedades aislantes se incrementan al introducir poros, que se generan generalmente por espumantes durante la polimerización.

Propiedades Térmicas de Cerámicos

En los cerámicos, el mecanismo fundamental de transferencia de calor se debe a los fonones.

• Los materiales porosos tienen baja conductividad térmica.
• Compuestos con átomos de número atómico similar (C, BeO, SiC) tienen una mayor conductividad porque su dispersión de red es pequeña.
• Las cerámicas cristalinas son mejores conductoras que las amorfas.
• La conductividad disminuye con la temperatura en rangos bajos de temperatura.

Gradiente de Temperatura

Los gradientes de temperatura se originan por calentamientos o enfriamientos rápidos, ya que la temperatura cambia más rápidamente en la superficie que en el interior. Por tanto, la expansión o contracción térmica es distinta en la superficie que en el interior, lo que genera esfuerzos internos.

Choque Térmico en Materiales Frágiles

En materiales dúctiles y polímeros, la mitigación de los esfuerzos inducidos térmicamente se acompaña de deformaciones plásticas. Sin embargo, la falta de ductilidad de la mayoría de los cerámicos aumenta la posibilidad de fractura por choque térmico.

La resistencia al choque térmico de un material depende de:

• La magnitud del cambio de temperatura.
• Las propiedades mecánicas del material (ej. resistencia a la tracción, tenacidad a la fractura).
• Las propiedades térmicas del material (ej. coeficiente de dilatación térmica, conductividad térmica, calor específico).

Aplicaciones de la Dilatación Térmica

Bimetales

Un bimetal es un compuesto laminar de dos metales con coeficientes de dilatación muy distintos. Si las dos tiras de metal están rígidamente unidas entre sí, al calentarlas, la diferencia entre sus coeficientes de dilatación provoca que el elemento bimetálico se curve.

Sensores Bimetálicos (Termostatos)

Popularmente conocidos como termostatos, los sensores bimetálicos son básicamente interruptores que producen una salida del tipo "todo o nada" (on-off) y conmutan de un estado al otro cuando se alcanza un determinado valor de temperatura. Constan generalmente de un bimetal, el cual se deforma según un arco circular uniforme cuando se produce un cambio de temperatura.

Convertidor Termoeléctrico

Un convertidor termoeléctrico moderno se compone de dos pequeñas piezas semiconductoras (una de tipo n con cargas libres y otra de tipo p con huecos libres), unidas en uno de sus extremos mediante una unión metálica o soldadura. Si esta unión se somete a una fuente de calor, manteniéndose a una temperatura caliente (Tc) mientras que los otros extremos se mantienen a una temperatura más fría (Tf), se produce una pequeña fuerza electromotriz (efecto Seebeck), generando una corriente eléctrica en el circuito.