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Cuarzo – Densidad – Capacidad calorífica – Conductividad térmica

Acerca del cuarzo

El cuarzo es un mineral muy abundante de muchas variedades que se compone principalmente de sílice o dióxido de silicio (SiO2). Hay muchas variedades diferentes de cuarzo, varias de las cuales son piedras preciosas semipreciosas. La amatista es una forma de cuarzo que varía desde un violeta vivo brillante hasta un tono lavanda oscuro o opaco. El citrino es una variedad de cuarzo cuyo color va del amarillo pálido al marrón debido a las impurezas férricas. El cuarzo es el mineral que define el valor de 7 en la escala de dureza de Mohs, un método de rayado cualitativo para determinar la dureza de un material a la abrasión. 

propiedades de cuarzo densidad resistencia precio

Resumen

Nombre Cuarzo
Fase en STP sólido
Densidad 2650 kg / m3
Resistencia a la tracción 48 MPa
Límite de elastacidad N / A
Módulo de Young 37 GPa
Dureza Brinell 7 Mohs
Punto de fusion 1667 ° C
Conductividad térmica 3 W / mK
Capacidad calorífica 741 J / g K
Precio 20 $ / kg

Densidad del cuarzo

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m 3 ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft 3 ).

La densidad del cuarzo es 2650 kg / m 3 .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de cuarzo, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen: ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a 3 ), la altura de este cubo se puede calcular:

densidad del material - ecuación

La altura de este cubo es entonces a = 0,723 m .

Densidad de materiales

Tabla de materiales - Densidad de materiales

Propiedades mecánicas del cuarzo

Resistencia del cuarzo

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original.

La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas o deformaciones plásticas. Para la tensión de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS). El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la  ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.

Ver también: Resistencia de los materiales

Máxima resistencia a la tracción del cuarzo

La resistencia máxima a la tracción del cuarzo es de 48 MPa.

Límite de elastacidad del cuarzo

El límite elástico del cuarzo  es N / A.

Módulo de Young del cuarzo

El módulo de elasticidad de Young del cuarzo es 37 GPa.

Dureza del cuarzo

En la ciencia de los materiales, la  dureza  es la capacidad de resistir  la hendidura de la superficie  ( deformación plástica localizada ) y el  rayado . La prueba de dureza Brinell  es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las 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.

El  número de dureza Brinell  (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:

Número de dureza Brinell - Definición

La dureza del cuarzo es de aproximadamente 7 Mohs.

Ver también: dureza de materiales

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de cuarzo. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm 2 . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 48 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

resistencia del material - ecuación

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 48 x 10 6 x 0,0001 = 4800 N

Resistencia de materiales

Tabla de materiales: resistencia de los materiales

Elasticidad de materiales

Tabla de materiales: elasticidad de los materiales

Dureza de los materiales

Tabla de materiales: dureza de los materiales 

Propiedades térmicas del cuarzo

Cuarzo – Punto de fusión

Punto de cuarzo de fusión es de 1667 ° C .

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. 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. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.

Cuarzo – Conductividad térmica

La conductividad térmica del cuarzo es de W / (m · K) .

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:

conductividad térmica - definición

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con 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.

Cuarzo – Calor específico

El calor específico de cuarzo es 7 41 J / g K .

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas  v  y  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  v  y  p  se conocen como  calores específicos  (o  capacidades caloríficas ) porque bajo ciertas condiciones especiales relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía agregada por la transferencia de calor. Sus unidades SI son  J / kg K  o  J / mol K .

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

Cuarzo - Conductividad térmicaLa conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). La pared tiene 15 cm de espesor (L 1 ) y está hecha de Cuarzo con una conductividad térmica  de k 1 = 3 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h 1  = 10 W / m 2 K y h 2  = 30 W / m 2 K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

Cálculo de la transferencia de calor: ley de enfriamiento de Newton

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

Cálculo de transferencia de calor - factor U

El coeficiente de transferencia de calor general  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 0,03 + 1/30) = 5,45 W / m 2 K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 5,45 [W / m 2 K] x 30 [K] = 163,63 W / m 2

La pérdida total de calor a través de esta pared será: pérdida  = q. A = 163,63 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 4909,09 W

Punto de fusión de materiales

Tabla de materiales - Punto de fusión

Conductividad térmica de materiales

Tabla de materiales: conductividad térmica

Capacidad calorífica de materiales

Tabla de materiales - Capacidad calorífica