Nick Connor

La prueba de dureza Brinell es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar. La prueba típica utiliza una bola de acero endurecido de 10 mm (0,39 pulg.) De diámetro   como penetrador con una fuerza de 3000 kgf (29,42 kN; 6,614 lbf). La carga se mantiene constante durante un tiempo determinado (entre 10 y 30 s). Para materiales más blandos, se usa una fuerza menor; para materiales más duros, una bola de carburo de tungsteno se sustituye por la bola de acero.

Dureza y resistencia a la tracción

Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de dureza Brinell a resistencia máxima a la tracción. En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500. Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y una ductilidad baja en el material.

En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Generalmente, las pruebas se pueden aplicar al producto terminado sin daños importantes.

Véase más arriba:

Dureza

La fluencia, también conocida como flujo frío, es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante. Es el resultado de una exposición prolongada a una gran tensión mecánica externa con un límite de fluencia y es más severo en materiales que se someten a calor durante mucho tiempo. La tasa de deformación es función de las propiedades del material, el tiempo de exposición, la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura de exposición y la carga estructural aplicada. La fluencia es un fenómeno muy importante si utilizamos materiales a alta temperatura. La fluencia es muy importante en la industria de la energía y es de suma importancia en el diseño de motores a reacción. Para muchas situaciones de fluencia de vida relativamente corta (p. Ej., Álabes de turbina en aviones militares), el tiempo de ruptura es la consideración de diseño dominante. Por supuesto, para su determinación, las pruebas de fluencia deben realizarse hasta el punto de falla; estos se denominan ensayos de rotura por fluencia.

Etapas de la fluencia

Como se puede ver en la figura, la fluencia depende del tiempo y pasa por varias etapas:

• Fluencia primaria. En la etapa inicial, o fluencia primaria, o fluencia transitoria, la tasa de deformación es relativamente alta, pero disminuye con el aumento del tiempo y la deformación debido al hecho de que el material está experimentando un aumento en la resistencia a la fluencia o endurecimiento por deformación. A esto le sigue una fluencia secundaria (o en estado estable) en la Etapa II, cuando la tasa de fluencia es pequeña y la deformación aumenta muy lentamente con el tiempo.
• Fluencia secundaria. Para la fluencia secundaria, a veces denominada fluencia en estado estable, la tasa es constante, es decir, la gráfica se vuelve casi lineal. La tasa de deformación disminuye al mínimo y se vuelve casi constante cuando comienza la etapa secundaria. Esto se debe al equilibrio entre el endurecimiento por trabajo y el recocido (ablandamiento térmico). Esta etapa de fluencia es la más comprendida. La fluencia en estado estable es a menudo la etapa de fluencia de mayor duración. No se pierde resistencia del material durante estas dos primeras etapas de fluencia. En la ingeniería de materiales, posiblemente el parámetro más importante de una prueba de fluencia es la pendiente de la parte secundaria de la curva de fluencia (ΔP/Δt). Es el parámetro de diseño de ingeniería que se considera para aplicaciones de larga duración. Este parámetro a menudo se denomina tasa de fluencia mínima o de estado estable.
• Fluencia terciaria. En la fluencia terciaria, hay una aceleración de la velocidad y posiblemente una falla final. La tasa de deformación aumenta exponencialmente con la tensión debido a fenómenos de formación de nudos o grietas internas, cavidades o huecos que disminuyen el área efectiva de la muestra. Todos estos conducen a una disminución del área de la sección transversal efectiva y a un aumento de la tasa de deformación. La fuerza se pierde rápidamente en esta etapa mientras que la forma del material cambia permanentemente. La aceleración de la deformación por fluencia en la etapa terciaria eventualmente conduce a la falla, que con frecuencia se denomina ruptura y es el resultado de cambios microestructurales y/o metalúrgicos.

Véase más arriba:

Creep

La fluencia, también conocida como flujo frío, es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante. Es el resultado de una exposición prolongada a una gran tensión mecánica externa con un límite de fluencia y es más severo en materiales que se someten a calor durante mucho tiempo. La tasa de deformación es función de las propiedades del material, el tiempo de exposición, la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura de exposición y la carga estructural aplicada. La fluencia es un fenómeno muy importante si utilizamos materiales a alta temperatura. La fluencia es muy importante en la industria de la energía y es de suma importancia en el diseño de motores a reacción. Para muchas situaciones de fluencia de vida relativamente corta (p. Ej., Álabes de turbina en aviones militares), el tiempo de ruptura es la consideración de diseño dominante. Por supuesto, para su determinación, las pruebas de fluencia deben realizarse hasta el punto de falla; estos se denominan ensayos de rotura por fluencia.

Prevención de fluencia: resistencia a la fluencia

La prevención de la fluencia se basa en la elección adecuada del material también es crucial. La resistencia a la fluencia de los materiales puede verse influenciada por muchos factores como la difusividad, el precipitado y el tamaño de grano. En general, hay tres formas generales de prevenir el deslizamiento en el metal. Una forma es utilizar metales con un punto de fusión más alto, la segunda forma es utilizar materiales con mayor tamaño de grano y la tercera forma es utilizar aleaciones. Los metales cúbicos centrados en el cuerpo (BCC) son menos resistentes a la fluencia en altas temperaturas. Por lo tanto, las superaleaciones (típicamente aleaciones austeníticas cúbicas centradas en las caras) basadas en Co, Ni y Fe pueden diseñarse para ser altamente resistentes a la fluencia y, por lo tanto, han surgido como un material ideal en entornos de alta temperatura.

Para un dispositivo de material seleccionado, es de suma importancia operar el dispositivo dentro de los límites, que son especialmente la temperatura máxima de servicio y la tensión. La tasa de fluencia depende en gran medida tanto de la tensión como de la temperatura. Con la mayoría de las aleaciones de ingeniería utilizadas en la construcción a temperatura ambiente o menos, la deformación por fluencia es tan pequeña con cargas de trabajo que se puede ignorar con seguridad. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, la fluencia se vuelve progresivamente más importante y eventualmente reemplaza a la fatiga como el criterio probable de falla. La temperatura a la que la fluencia se vuelve importante variará con el material. Para un funcionamiento seguro, la deformación total debida a la fluencia debe estar muy por debajo de la deformación a la que se produce la falla.

Véase más arriba:

Creep

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de materiales

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar.

Ver también: Puntos de fusión – Tabla periódica

En general, la  fusión  es un  cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Agregar calor convertirá el sólido en líquido sin cambios de temperatura. En el punto de fusión, las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de fusión, el sólido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma líquida. El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y generalmente se especifica a presión estándar. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, se denomina punto de congelación o punto de cristalización.

Ver también:  depresión del punto de fusión

La primera teoría que explica el mecanismo de fusión a granel fue propuesta por Lindemann, quien utilizó la vibración de los átomos en el cristal para explicar la transición de fusión. Los sólidos son similares a los líquidos en que ambos son estados condensados, con partículas que están mucho más juntas que las de un gas. Los átomos de un sólido están estrechamente unidos entre sí, ya sea en una red geométrica regular (sólidos cristalinos, que incluyen metales y hielo ordinario) o irregularmente (un sólido amorfo como el vidrio de ventana común), y por lo general tienen poca energía. El movimiento de átomos, iones o moléculas individuales en un sólido está restringido al movimiento vibratorio alrededor de un punto fijo. A medida que se calienta un sólido, sus  partículas vibran más rápidamente a medida que el sólido absorbe energía cinética. En algún momento, la amplitud de la vibración se vuelve tan grande que los átomos comienzan a invadir el espacio de sus vecinos más cercanos y los perturban y se inicia el proceso de fusión. El  punto de fusión es la temperatura a la que las vibraciones disruptivas de las partículas del sólido superan las fuerzas de atracción que operan dentro del sólido.

Al igual que con los puntos de ebullición, el punto de fusión de un sólido depende de la fuerza de esas fuerzas atractivas. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl) es un compuesto iónico que consta de una multitud de enlaces iónicos fuertes. El cloruro de sodio se funde a 801°C. Por otro lado, el hielo (H₂O sólido ) es un compuesto molecular cuyas moléculas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, lo que constituye un claro ejemplo de interacción entre dos dipolos permanentes. Aunque los enlaces de hidrógeno son las fuerzas intermoleculares más fuertes, la fuerza de los enlaces de hidrógeno es mucho menor que la de los enlaces iónicos. El punto de fusión del hielo es de 0°C.

Los enlaces covalentes a menudo dan como resultado la formación de pequeñas colecciones de átomos mejor conectados llamados moléculas, que en sólidos y líquidos están unidos a otras moléculas por fuerzas que a menudo son mucho más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidas las moléculas internamente. Estos enlaces intermoleculares débiles dan a las sustancias moleculares orgánicas, como ceras y aceites, su carácter de masa blanda y sus puntos de fusión bajos (en los líquidos, las moléculas deben dejar de tener un contacto más estructurado u orientado entre sí).

Véase más arriba:

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión: punto de ebullición de los materiales

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar.

Punto de fusion

Ver también: Puntos de fusión – Tabla periódica

En general, la  fusión  es un cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Agregar calor convertirá el sólido en líquido sin cambios de temperatura. En el punto de fusión, las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de fusión, el sólido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma líquida. El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y generalmente se especifica a presión estándar. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, se denomina punto de congelación o punto de cristalización.

Ver también:  depresión del punto de fusión

La primera teoría que explica el mecanismo de fusión a granel fue propuesta por Lindemann, quien utilizó la vibración de los átomos en el cristal para explicar la transición de fusión. Los sólidos son similares a los líquidos en que ambos son estados condensados, con partículas que están mucho más juntas que las de un gas. Los átomos de un sólido están estrechamente unidos entre sí, ya sea en una red geométrica regular (sólidos cristalinos, que incluyen metales y hielo ordinario) o irregularmente (un sólido amorfo como el vidrio de ventana común), y por lo general tienen poca energía. El  movimiento de átomos, iones o moléculas individuales en un sólido está restringido al movimiento vibratorio alrededor de un punto fijo. A medida que se calienta un sólido, sus partículas vibran más rápidamente a medida que el sólido absorbe energía cinética. En algún momento, la amplitud de la vibración se vuelve tan grande que los átomos comienzan a invadir el espacio de sus vecinos más cercanos y los perturban y se inicia el proceso de fusión. El  punto de fusión es la temperatura a la que las vibraciones disruptivas de las partículas del sólido superan las fuerzas de atracción que operan dentro del sólido.

Al igual que con los puntos de ebullición, el punto de fusión de un sólido depende de la fuerza de esas fuerzas atractivas. Por ejemplo, el cloruro de sodio (NaCl) es un compuesto iónico que consta de una multitud de enlaces iónicos fuertes. El cloruro de sodio se funde a 801°C. Por otro lado, el hielo (H₂O sólido) es un compuesto molecular cuyas moléculas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, lo que constituye un claro ejemplo de interacción entre dos dipolos permanentes. Aunque los enlaces de hidrógeno son las fuerzas intermoleculares más fuertes, la fuerza de los enlaces de hidrógeno es mucho menor que la de los enlaces iónicos. El punto de fusión del hielo es de 0°C.

Los enlaces covalentes a menudo dan como resultado la formación de pequeñas colecciones de átomos mejor conectados llamados moléculas, que en sólidos y líquidos están unidos a otras moléculas por fuerzas que a menudo son mucho más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidas las moléculas internamente. Estos enlaces intermoleculares débiles dan a las sustancias moleculares orgánicas, como ceras y aceites, su carácter de masa blanda y sus puntos de fusión bajos (en los líquidos, las moléculas deben dejar de tener un contacto más estructurado u orientado entre sí).

Punto de ebullición

Ver también: Puntos de ebullición – Tabla periódica

En general, la ebullición es un  cambio de fase de una sustancia de la fase líquida a la fase gaseosa. El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase (ebullición o vaporización). La temperatura a la que   comienza a producirse la vaporización (ebullición) para una presión determinada también se conoce como temperatura de saturación y, en estas condiciones, puede coexistir una mezcla de vapor y líquido. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase. En el  punto de ebullición las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de ebullición, el líquido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma gaseosa. La presión a la que comienza a producirse la vaporización (ebullición) para una temperatura determinada se denomina  presión de saturación. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de vapor a líquido, se denomina punto de condensación.

Como puede verse, el  punto de ebullición de un líquido varía dependiendo de la presión ambiental circundante. Un líquido en vacío parcial tiene un punto de ebullición más bajo que cuando ese líquido está a presión atmosférica. Un líquido a alta presión tiene un punto de ebullición más alto que cuando ese líquido está a presión atmosférica. Por ejemplo, el agua hierve a 100°C (212°F) al nivel del mar, pero a 93,4°C (200,1°F) a 1900 metros (6,233 pies) de altitud. Por otro lado, el agua hierve a 350°C (662°F) a 16,5 MPa (presión típica de los PWR).

En la  tabla periódica de elementos, el elemento con el punto de ebullición más bajo es el helio. Tanto los puntos de ebullición del renio como del tungsteno superan los 5000 K a presión estándar. Dado que es difícil medir temperaturas extremas con precisión sin sesgo, se ha citado en la bibliografía que ambas tienen el punto de ebullición más alto.

Conductividad térmica de materiales

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica, k (o λ), medida en  W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción. Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Conductividad térmica de metales

Conductividad térmica de no metales

Para los  sólidos no metálicos, k está determinado principalmente por k_ph, que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica reticular es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición de la celosía tiene un efecto importante en el k_ph, con materiales cristalinos (bien ordenados) como el  cuarzo que tiene una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio. A temperaturas suficientemente altas k_ph ∝ 1/T.

Los  cuantos  del campo vibratorio del cristal se conocen como » fonones «. Un fonón es una excitación colectiva en una disposición elástica periódica de átomos o moléculas en materia condensada, como sólidos y algunos líquidos. Los fonones juegan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de la materia condensada, como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. De hecho, para sólidos cristalinos no metálicos como el diamante, k_ph puede ser bastante grande, excediendo los valores de k asociados con buenos conductores, como el aluminio. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica (k = 1000 W/mK) de cualquier material a granel.

Conductividad térmica de líquidos y gases

En física, un fluido es una sustancia que se deforma (fluye) continuamente bajo un esfuerzo cortante aplicado. Los fluidos  son un subconjunto de las fases de la materia e incluyen  líquidos,  gases, plasmas y, hasta cierto punto, sólidos plásticos. Debido a que el espaciamiento intermolecular es mucho mayor y el movimiento de las moléculas es más aleatorio para el estado fluido que para el estado sólido, el transporte de energía térmica es menos efectivo. La conductividad térmica de gases y líquidos es, por tanto, generalmente más pequeña que la de sólidos. En los líquidos, la conducción térmica se produce por difusión atómica o molecular. En los gases, la conducción térmica es causada por la difusión de moléculas desde el nivel de energía más alto al nivel más bajo.

Conductividad térmica de gases

El efecto de la temperatura, la presión y las especies químicas sobre la  conductividad térmica  de un gas puede explicarse en términos de la  teoría cinética de los gases. El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes, en ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala. La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor deba transferirse a través de muchas interfaces, lo que provoca una rápida disminución del coeficiente de transferencia de calor.

La  conductividad térmica de los gases es directamente proporcional a la densidad del gas, la velocidad molecular media y especialmente a la  trayectoria libre media de la molécula. El camino libre medio también depende del diámetro de la molécula, y las moléculas más grandes tienen más probabilidades de experimentar colisiones que las moléculas pequeñas, que es la distancia promedio recorrida por un portador de energía (una molécula) antes de experimentar una colisión. Los gases ligeros, como el  hidrógeno y el  helio,  suelen tener una  alta conductividad térmica. Los gases densos como el xenón y el diclorodifluorometano tienen baja conductividad térmica.

En general, la conductividad térmica de los gases aumenta al aumentar la temperatura.

Conductividad térmica de líquidos

Como se escribió, en los líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular, pero no se conocen bien los mecanismos físicos para explicar la conductividad térmica de los líquidos. Los líquidos tienden a tener una mejor conductividad térmica que los gases, y la capacidad de fluir hace que un líquido sea adecuado para eliminar el exceso de calor de los componentes mecánicos. El calor se puede eliminar canalizando el líquido a través de un intercambiador de calor. Los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares incluyen agua o metales líquidos, como sodio o plomo.

La conductividad térmica de los líquidos no metálicos generalmente disminuye al aumentar la temperatura.

Coeficiente de expansión térmica de materiales

La expansión térmica es generalmente la tendencia de la materia a cambiar sus dimensiones en respuesta a un cambio de temperatura. Por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en longitud o volumen por cambio de temperatura unitario. La expansión térmica es común para sólidos, líquidos y gases. A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando experimentan expansión térmica. Un  coeficiente de expansión lineal se emplea generalmente para describir la expansión de un sólido, mientras que un coeficiente de expansión de volumen es más útil para un líquido o un gas.

El  coeficiente de expansión térmica lineal se define como:

donde L es una medida de longitud particular y  dL/dT  es la tasa de cambio de esa dimensión lineal por unidad de cambio de temperatura.

El coeficiente de expansión térmica volumétrica es el coeficiente de expansión térmica más básico y el más relevante para los fluidos. En general, las sustancias se expanden o contraen cuando cambia su temperatura, y la expansión o contracción ocurre en todas las direcciones.

El  coeficiente de expansión térmica volumétrica  se define como:

donde  L  es el volumen del material y  dV/dT  es la tasa de cambio de ese volumen por unidad de cambio de temperatura.

En un sólido o líquido, existe un equilibrio dinámico entre las fuerzas cohesivas que mantienen unidos los átomos o moléculas y las condiciones creadas por la temperatura. Por lo tanto, temperaturas más altas implican una mayor distancia entre los átomos. Los diferentes materiales tienen diferentes fuerzas de unión y, por lo tanto, diferentes coeficientes de expansión. Si un sólido cristalino es isométrico (tiene la misma configuración estructural en todas partes), la expansión será uniforme en todas las dimensiones del cristal. Para estos materiales, el área y el coeficiente de expansión térmica volumétrica son, respectivamente, aproximadamente dos y tres veces mayores que el coeficiente de expansión térmica lineal (α_V = 3α_L). Si no es isométrico, puede haber diferentes coeficientes de expansión para diferentes direcciones cristalográficas, y el cristal cambiará de forma a medida que cambia la temperatura.

Calor específico de materiales

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con  la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas c_v y c_p se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la energía interna u (T, v)  y la  entalpía h (T, p), respectivamente:

donde los subíndices v y p  denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades  c_v y  c_p se denominan calores específicos  (o capacidades caloríficas) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son J/kgK o J/molK.

Diferentes sustancias  se ven afectadas en  diferentes magnitudes por la  adición de calor. Cuando se agrega una determinada cantidad de calor a diferentes sustancias, sus temperaturas aumentan en diferentes cantidades.

La capacidad calorífica  es una propiedad extensa de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. La capacidad calorífica C tiene la unidad de energía por grado o energía por kelvin. Cuando se expresa el mismo fenómeno como una propiedad intensiva, la  capacidad calorífica se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la muestra.

Calor latente de vaporización de materiales

En general, cuando un material  cambia de fase  de sólido a líquido, o de líquido a gas, una cierta cantidad de energía está involucrada en este cambio de fase. En caso de cambio de fase líquida a gaseosa, esta cantidad de energía se conoce como entalpía de vaporización, (símbolo ∆ _vap; unidad: J) también conocida como calor (latente) de vaporización o calor de evaporación. Como ejemplo, vea la figura, que describe las transiciones de fase del agua.

El calor latente es la cantidad de calor que se agrega o elimina de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV). Cuando se agrega calor latente, no se produce ningún cambio de temperatura. La entalpía de vaporización es función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

La temperatura a la que   comienza a producirse la vaporización (ebullición) para una presión determinada también se conoce como  temperatura de saturación y, en estas condiciones, puede coexistir una mezcla de vapor y líquido. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase. En el punto de ebullición, las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de ebullición, el líquido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma gaseosa.

Calor latente de fusión de materiales

En caso de cambio de fase sólida a líquida, el cambio de entalpía requerido para cambiar su estado se conoce como  entalpía de fusión, (símbolo ∆H_fus; unidad: J) también conocido como calor (latente) de fusión. El calor latente es la cantidad de calor que se agrega o elimina de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el sistema (el trabajo pΔV).

La fase líquida tiene una energía interna más alta que la fase sólida. Esto significa que se debe suministrar energía a un sólido para derretirlo y la energía se libera de un líquido cuando se congela, porque las moléculas en el líquido experimentan fuerzas intermoleculares más débiles y, por lo tanto, tienen una energía potencial más alta (una especie de energía de enlace-disociación para fuerzas intermoleculares).

La temperatura a la que se produce la transición de fase es el  punto de fusión. El  punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Agregar calor convertirá el sólido en líquido sin cambios de temperatura. En el punto de fusión, las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de fusión, el sólido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma líquida. El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y generalmente se especifica a presión estándar. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, se denomina punto de congelación o punto de cristalización.

Emisividad de materiales

La  emisividad, ε, de la superficie de un material es su efectividad para emitir energía como radiación térmica  y varía entre 0,0 y 1,0.

Por definición, un  cuerpo negro en equilibrio térmico tiene una emisividad de ε =1,0. Los objetos reales no irradian tanto calor como un cuerpo negro perfecto. Irradian menos calor que un cuerpo negro y, por lo tanto, se denominan cuerpos grises. Para tener en cuenta el hecho de que los objetos reales son cuerpos grises, la  ley de Stefan-Boltzmann  debe incluir la emisividad. Cuantitativamente, la emisividad es la relación entre la radiación térmica de una superficie y la radiación de una superficie negra ideal a la misma temperatura dada por la ley de Stefan-Boltzmann. La emisividad es simplemente un factor por el cual multiplicamos la transferencia de calor del cuerpo negro para tener en cuenta que el cuerpo negro es el caso ideal.

La superficie de un cuerpo negro emite radiación térmica a una velocidad de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25°C, 298,15 K). Los objetos reales con emisividades inferiores a 1,0 (por ejemplo, alambre de cobre) emiten radiación a tasas correspondientemente más bajas (por ejemplo, 448 x 0,03 = 13,4 W/m²). La emisividad juega un papel importante en los problemas de transferencia de calor. Por ejemplo, los colectores de calor solar incorporan superficies selectivas que tienen emisividades muy bajas. Estos colectores desperdician muy poca energía solar a través de la emisión de radiación térmica.

Otra propiedad de radiación importante de una superficie es su capacidad de absorción, α, que es la fracción de la energía de radiación incidente en una superficie que es absorbida por la superficie. Como la emisividad, el valor de la absortividad está en el rango 0 <α <1.

En general, la  absortividad y la  emisividad  están interconectadas por la Ley de radiación térmica de Kirchhoff, que establece:

Para un cuerpo arbitrario que emite y absorbe radiación térmica en equilibrio termodinámico, la emisividad es igual a la absortividad.

emisividad ε = absortividad α

Tenga en cuenta que la radiación visible ocupa una banda muy estrecha del espectro de 0,4 a 0,76 nm, no podemos hacer ningún juicio sobre la negrura de una superficie sobre la base de observaciones visuales. Por ejemplo, considere el papel blanco que refleja la luz visible y, por lo tanto, parece blanco. Por otro lado, es esencialmente negro para la radiación infrarroja (absortividad α = 0,94) ya que absorben fuertemente la radiación de longitud de onda larga.

Ver también: manta térmica

Véase más arriba:

Propiedades del material

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Coeficiente de expansión térmica de materiales

La expansión térmica  es generalmente la tendencia de la materia a cambiar sus dimensiones en respuesta a un cambio de temperatura. Por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en longitud o volumen por cambio de temperatura unitario. La expansión térmica es común para sólidos, líquidos y gases. A diferencia de los gases o líquidos, los materiales sólidos tienden a mantener su forma cuando experimentan expansión térmica. Un  coeficiente de expansión lineal  se emplea generalmente para describir la expansión de un sólido, mientras que un coeficiente de expansión de volumen es más útil para un líquido o un gas.

El  coeficiente de expansión térmica lineal  se define como:

donde  L  es una medida de longitud particular y  dL/dT  es la tasa de cambio de esa dimensión lineal por unidad de cambio de temperatura.

El coeficiente de expansión térmica volumétrica es el coeficiente de expansión térmica más básico y el más relevante para los fluidos. En general, las sustancias se expanden o contraen cuando cambia su temperatura, y la expansión o contracción ocurre en todas las direcciones.

El  coeficiente de expansión térmica volumétrica se define como:

donde  L  es el volumen del material y  dV/dT  es la tasa de cambio de ese volumen por unidad de cambio de temperatura.

En un sólido o líquido, existe un equilibrio dinámico entre las fuerzas cohesivas que mantienen unidos los átomos o moléculas y las condiciones creadas por la temperatura. Por lo tanto, temperaturas más altas implican una  mayor distancia entre los átomos. Los diferentes materiales tienen diferentes fuerzas de unión y, por lo tanto, diferentes coeficientes de expansión. Si un sólido cristalino es isométrico (tiene la misma configuración estructural en todas partes), la expansión será uniforme en todas las dimensiones del cristal. Para estos materiales, el área y el coeficiente de expansión térmica volumétrica son, respectivamente, aproximadamente dos y tres veces mayores que el coeficiente de expansión térmica lineal (α_V = 3α_L). Si no es isométrico, puede haber diferentes coeficientes de expansión para diferentes direcciones cristalográficas, y el cristal cambiará de forma a medida que cambia la temperatura.

Véase más arriba:

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de ebullición de materiales

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar.

Ver también: Puntos de ebullición – Tabla periódica

En general, la  ebullición  es un  cambio de fase de una sustancia de la fase líquida a la fase gaseosa. El  punto  de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase (ebullición o vaporización). La temperatura a la que   comienza a producirse la vaporización (ebullición) para una presión determinada también se conoce como temperatura de saturación y, en estas condiciones, puede coexistir una mezcla de vapor y líquido. Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica. Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase. En el  punto de ebullición las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de ebullición, el líquido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma gaseosa. La presión a la que comienza a producirse la vaporización (ebullición) para una temperatura determinada se denomina  presión de saturación. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de vapor a líquido, se denomina punto de condensación.

Como puede verse, el  punto  de ebullición de un líquido varía dependiendo de la presión ambiental circundante. Un líquido en vacío parcial tiene un punto de ebullición más bajo que cuando ese líquido está a presión atmosférica. Un líquido a alta presión tiene un punto de ebullición más alto que cuando ese líquido está a presión atmosférica. Por ejemplo, el agua hierve a 100°C (212°F) al nivel del mar, pero a 93,4°C (200,1°F) a 1900 metros (6,233 pies) de altitud. Por otro lado, el agua hierve a 350°C (662°F) a 16,5 MPa (presión típica de los PWR).

En la  tabla periódica de elementos, el elemento con el punto de ebullición más bajo es el helio. Tanto los puntos de ebullición del renio como del tungsteno superan los 5000 K a presión estándar. Dado que es difícil medir temperaturas extremas con precisión sin sesgo, se ha citado en la bibliografía que ambas tienen el punto de ebullición más alto.

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Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Calor latente de fusión de materiales

En caso de cambio de fase sólida a líquida, el cambio de entalpía requerido para cambiar su estado se conoce como  entalpía de fusión, (símbolo ∆H_fus; unidad: J) también conocido como  calor (latente) de fusión. El calor latente es la cantidad de calor que se agrega o elimina de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el sistema (el  trabajo pΔV).

La fase líquida tiene una energía interna más alta que la fase sólida. Esto significa que se debe suministrar energía a un sólido para derretirlo y la energía se libera de un líquido cuando se congela, porque las moléculas en el líquido experimentan fuerzas intermoleculares más débiles y, por lo tanto, tienen una energía potencial más alta (una especie de energía de enlace-disociación para fuerzas intermoleculares).

La temperatura a la que se produce la transición de fase es el  punto de fusión. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Agregar calor convertirá el sólido en líquido sin cambios de temperatura. En el punto de fusión, las dos fases de una sustancia, líquido y vapor, tienen energías libres idénticas y, por lo tanto, es igualmente probable que existan. Por debajo del punto de fusión, el sólido es el estado más estable de los dos, mientras que por encima se prefiere la forma líquida. El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y generalmente se especifica a presión estándar. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, se denomina punto de congelación o punto de cristalización.

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Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe thermodynamics/what-is-energy-physics/»>energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.

La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Calor específico de materiales

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con  la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas  c_v  y  c_p se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la energía interna u (T, v)  y la entalpía  h (T, p), respectivamente:

donde los subíndices  v  y  p  denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades  c_v  y  c_p  se denominan calores específicos (o  capacidades caloríficas) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son  J/kgK o J/molK.

Diferentes sustancias  se ven afectadas en diferentes magnitudes por la adición de calor. Cuando se agrega una determinada cantidad de calor a diferentes sustancias, sus temperaturas aumentan en diferentes cantidades.

La capacidad calorífica es una propiedad extensa de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. La capacidad calorífica C  tiene la unidad de energía por grado o energía por kelvin. Cuando se expresa el mismo fenómeno como una propiedad intensiva, la  capacidad calorífica  se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la muestra.

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Propiedades térmicas

La propiedad eléctrica se refiere a la respuesta de un material a un campo eléctrico aplicado. Una de las principales características de los materiales es su capacidad (o falta de capacidad) para conducir corriente eléctrica. De hecho, los materiales se clasifican según esta propiedad, es decir, se dividen en conductores, semiconductores y no conductores.

Conductividad eléctrica de materiales

La conductividad eléctrica y su inversa,  la resistividad eléctrica, es una propiedad fundamental de un material que cuantifica cómo conduce el flujo de corriente eléctrica. La conductividad eléctrica o conductancia específica es el recíproco de la resistividad eléctrica. El símbolo de la conductividad eléctrica es κ (kappa) y también σ (sigma) o γ (gamma). La unidad SI de conductividad eléctrica es siemens por metro (S/m). Una conductividad alta indica un material que permite fácilmente el flujo de corriente eléctrica. Tenga en cuenta que la resistividad eléctrica no es lo mismo que la resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica se expresa en ohmios. Mientras que la resistividad es una propiedad material, la resistencia es propiedad de un objeto.

Conductores – Semiconductores – Resistencias

Las sustancias en las que puede fluir la electricidad se denominan  conductores. Los conductores están hechos de materiales de alta conductividad como metales, en particular cobre y aluminio.

Los aisladores, por otro lado, están hechos de una amplia variedad de materiales dependiendo de factores como la resistencia deseada.

Los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción en función de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre  semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una  conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una  brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, esta brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones de un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción.

Para comprender la diferencia entre  metales,  semiconductores y aislantes eléctricos, tenemos que definir los siguientes términos de la física del estado sólido:

• Banda de Valencia. En física del estado sólido, la  banda de valencia y la  banda de conducción  son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aislantes eléctricos y semiconductores, la banda de valencia es el rango más alto de energías electrónicas en el que los electrones están normalmente presentes a la temperatura del cero absoluto. Por ejemplo, un  átomo de silicio tiene catorce electrones. En el estado fundamental, están dispuestos en la configuración electrónica  [Ne] 3s²3p². De estos,  cuatro son electrones de valencia, ocupando el orbital 3s y dos de los orbitales 3p. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Banda de conducción. En física del estado sólido, la banda de valencia y la banda de conducción son las bandas más cercanas al nivel de Fermi y, por lo tanto, determinan la conductividad eléctrica del sólido. En aislantes eléctricos y semiconductores, la  banda de conducción es el rango más bajo de  estados electrónicos vacíos. En un gráfico de la estructura de la banda electrónica de un material, la banda de valencia se encuentra por debajo del nivel de Fermi, mientras que la banda de conducción  se encuentra por encima de él. En los semiconductores, los  electrones  pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son  excitados, por ejemplo, por  radiación ionizante (es decir, deben obtener energía superior a la E_gap). Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E_gap = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E_gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. La distinción entre las bandas de valencia y conducción no tiene sentido en los metales, porque la conducción ocurre en una o más bandas parcialmente llenas que adquieren las propiedades de las bandas de valencia y conducción.
• Band Gap. En la física del estado sólido, la  brecha de energía  o la  brecha de banda  es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones de un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. Los huecos de las bandas  son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (E_gap  = 5,47 eV) con un alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida (E_gap = 0,67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas.
• Nivel Fermi. El término «nivel de Fermi» proviene de las estadísticas de  Fermi-Dirac, que describen una distribución de partículas sobre estados de energía en sistemas que consisten en fermiones (electrones) que obedecen al  principio de exclusión de Pauli. Dado que no pueden existir en estados de energía idénticos, el nivel de Fermi es el término utilizado para describir la parte superior de la colección de niveles de energía de  electrones  a  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/absolute-zero-temperature/»>la temperatura del cero absoluto. El  nivel de Fermi  es la superficie del mar de  Fermi en el cero absoluto donde ningún electrón tendrá suficiente energía para elevarse por encima de la superficie. En los metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción hipotética que da lugar a electrones de conducción libres. En los semiconductores, la posición del nivel de Fermi está dentro de la banda prohibida, aproximadamente en el medio de la banda prohibida.
• Par de agujeros de electrones. En el semiconductor,  los portadores de carga libres son  electrones  y  huecos de electrones (pares de electrones-huecos). Los electrones y huecos se crean por  excitación de electrones  desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones (a menudo llamado simplemente agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que podría existir en un  átomo o red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que se encargan de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Dado que en un átomo normal o una red cristalina la carga negativa de los electrones se equilibra con la carga positiva de los núcleos atómicos, la ausencia de un electrón deja una carga neta positiva en la ubicación del agujero. Los agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores cuando los electrones abandonan sus posiciones. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, se recombinan y estos portadores libres desaparecen efectivamente. La recombinación significa que un electrón que ha sido excitado desde la banda de valencia a la banda de conducción vuelve al estado vacío en la banda de valencia, conocido como los huecos.

Véase más arriba:

Propiedades del material