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Polietileno – Densidad – Resistencia – Punto de fusión – Conductividad térmica

Acerca del polietileno

El polietileno es un termoplástico de ingeniería blanquecino, semicristalino y efectivamente opaco. El polietileno se clasifica por su densidad y ramificación. Desde polietileno de baja densidad (LDPE) hasta polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE). Sus propiedades mecánicas dependen significativamente de variables como la extensión y el tipo de ramificación, la estructura cristalina y el peso molecular.

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Resumen

Nombre Polietileno
Fase en STP sólido
Densidad 950 kg / m3
Resistencia a la tracción 30 MPa
Límite de elastacidad 20 MPa
Módulo de Young 1 GPa
Dureza Brinell 40 BHN
Punto de fusión 317 ° C
Conductividad térmica 0,5 W / mK
Capacidad calorífica 1550 J / g K
Precio 0,9 $ / kg

Densidad del polietileno

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 polietileno es de  950 kg / m  3  .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de polietileno, 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 = 1,017 m  .

Densidad de materiales

Tabla de materiales - densidad de materiales

Propiedades mecánicas del polietileno

Resistencia del polietileno

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 máxima de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que prestan a alargarse se conoce como resistencia a la tracción (UTS). El  límite  elástico  o límite elástico es la propiedad del material definido 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 polietileno

La resistencia máxima a la tracción del polietileno es de 30 MPa.

Límite de elastacidad del polietileno

El límite elástico del polietileno es de 20 MPa.

Módulo de Young del polietileno

El módulo de Young del polietileno es 1 MPa.

Dureza del polietileno

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 Brinell del polietileno es de aproximadamente 40 BHN (convertido).

Ver también:  dureza de materiales

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de polietileno. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm  2  . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia a la tracción máxima de este material, que es: UTS = 30 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 = 30 x 10  6  x 0,0001 =  3 000 N

Resistencia de materiales

Tabla de materiales: resistencia de los materiales

Elasticidad de los materiales

Tabla de materiales: elasticidad de los materiales

Dureza de los materiales

Tabla de materiales: dureza de los materiales 

Propiedades térmicas del polietileno

Polietileno – Punto de fusión

Punto de fusión del polietileno es de 317  ° 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.

Polietileno – Conductividad térmica

La conductividad térmica del  polietileno   es de   0,5  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 variadas 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 yyz (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Polietileno – Calor específico

El calor Específico de polietileno es  1550 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   significan las variables mantiene fijo durante la diferenciación. Las propiedades   v   y   p   se conocen como   calores específicas   (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. Unidades Sus SI hijo   J / kg K   o   J / K mol  .

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

Polietileno - 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 Polietileno con la   conductividad térmica   de k  1   = 0,5 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 yh  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, una Menudo es conveniente Trabajar Con Un   coeficiente de transferencia de calor en general  ,   Conocido Como un   factor de 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 total   es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 0,5 + 1/30) = 2,31 W / m  2  K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 2,31 [W / m  2  K] x 30 [K] = 69,23 W / m  2

La pérdida total de calor a través de esta pared será:  pérdida   = q. A = 69,23 [W / m  2  ] x 30 [m  2  ] =  2076,92 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