1. INTRODUCCIÓN:

Cuando se calienta un sólido, se presentan tres efectos importantes para la ingeniería. El sólido por sí mismo absorbe calor, los transmite y se expande. El primer efecto se describe por el calor específico (molar) Cp, que es la energía requerida para elevar la temperatura de un mol de solido 1k, o cal/mol-k. EL segundo se define como la conductividad térmica o la energía (calorías) que fluye por segundo desde una cara hasta otra de un cubo de dimensiones de 1cm con una diferencia de temperatura de 1k entre las caras, o sea, (cal/cm2)/(cm/seg-k) o cal/cm-seg-k. El tercero es el cambio en longitud por unidad de la longitud por k, o sea, cm/cm-k o simplemente (k)-1 . [La interrelación de estas unidades con las unidades térmicas británicas (BTU) Y con julio-unidad de energía preferida-se da en los problemas.] El problema interesante para analizar es el de relacionar esas características con la estructura. Podemos comenzar considerando qué es lo que sucede si calentamos un metal simple, tal como la plata, desde 0 k. La energía será absorbida por el aumento de banda de conducción se aceleran. A partir de este sencillo modelo podemos explicar las tres propiedades térmicas.

2. DESARROLLO:

2.1Capacidad calorífica.

Para nuestro objetivo es suficiente discutir cp, que es el calor específico a una presión constante, Es más sencillo comenzar con el calor específico a 20 ºC, por ejeplo. Encontramos que los sólidados más sencillo muestran un valos aproximadamente 6cal/mol-k (25.1 j/mol-K). Boltzmann demostró que esto se podía racionalizar al considerar la energía de los átomos vibrantes. De la química elemental recortemos que la energía interna de uin mo l de gas perfecto es 3/2 RT, donde R es la constante de los gases con un valor de 1.987 cal/mol-k (8.3 j/mol-k) y Te s la temperatura absoluta (k). Para los átomos vibrantes enlazados en un sólido hay un término de energía potencial añadida, del mismo valor 3/2RT, dando la energía total como 3RT o sea como aproximadamente 6T. Puesto que la energía es igual a C p (desde 0 hasta TK), entonces Cp = 6 cal/mol-k (25.1 j/mol-K).

Esta simple relación no se aplica a bajas temperaturas debido a efectos que se estudian en la mecánica cuántica o a los sólidos complejos en los cuales está involucrada la energía de rotación de las moléculas. La contribución de los electrones al calor específico es también baja excepto a bajas temperaturas.

Deberíamos anotar de paso que aunque el calor especifico por moles constante para muchas substancias sencilla, es importante darse cuenta en los cálculos de ingeniería que hay una gran diferencia en el calor específico por gramos.

2.2Conductividad térmica.

Los portadores de energía térmica son electrones en los metales yu fotones (cuantos de energía) en otros sólidos. La velocidad de un fotón es la velocidad de sonido, pero como se producen muchas colisiones, la conductividad térmica neta es baja comparada con la de los metales

Como los electrones sirven como portadores en los metales, podríamos decir que una buena conductividad eléctrica podría ser una indicación de buenas conductividad térmica. Ello se muestra en la relación Wiedermann- Franz:

Donde el número de Lorenz L = 1.6 A 2.5 (volts/K)2 x 10-8 para la mayoría de los metales a T= 20 ºC (293 ºK)A medida que se añaden aleantes, la conductividad térmica, como la conductividad eléctrica, decaen rápidamente, a menudo hasta un valor únicamente un décimo del metal puro.

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2.3Expansión térmica

Si empleamos un modelo clásico de átomo o vibraciones de ion que van de aquí para allá con respecto a centros fijos mientras se calienta una muestra, no podemos explicar la expansión. Sin embargo, repasemos las fuerzas de atracción y repulsión entre los iones, los cuales determinan la distancia interiónica. A medidas que acercamos dos iones, vemos que las fuerzas de atracción dominan hasta que llegamos al fondo del canal a un radio r0. Para juntar los átomos aún más se requieren energía adicional. Ahora los átomos tendrán un espaciamiento radial r0 únicamente a 0 K. A mayores temperaturas los átomos vibrarán con amplitud creciente, como en T1 y T2¬ Obsérvese que la distancia promedio de separación será r1 y r2 las cuales no caen encima de r0 debido a los efectos diversos de temperatura sobre las fuerzas de atracción y de repulsión térmica, el cual es característica diferente para diversas estructuras.

Los materiales cerámicos tienen coeficiente bajos debido a que las fuerzas de atracción son casi tan grandes como la fuerzas de repulsión a medida que la temperatura aumenta. Los valores van desde 1.2x10 -8(K)-1, para el diamante hasta 6.7x10-6 (K)-1 para la alúmina (tabla 15.2). se encuentra una gran variación en los vidrios. En los metales hay una correlación más estrecha entre el punto de fusión, el cual es un índice del grado de enlace, y su coeficiente.

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En los polímeros los coeficientes de expansión son de órdenes de magnitud mayor como el resultado de fuerzas de enlaces intermoleculares bajas.

El bajo coeficiente de expansión de la aleación hierro-níquel conocida como invar por debajo de 200 °C es un ejemplo interesante de la interacción entre los efectos magnéticos y térmicos.

Otros efectos anómalos son las diferencias en los coeficientes de expansión.

El coeficiente de expansión nunca se debe tomar como un promedio sobre un intervalo de temperatura donde ocurra la transformación de fase pues puede ocurrir una falla debido a la dilatación.

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3. CONCLUSIÓN:

Las propiedades ópticas de mayor importancia son la emisión, absorción, reflexión, transmisión y refracción. La base para comprender cada uno de estos fenómenos es la relación entre electrones y fotones, en los cuales podría pensar como si fueran pequeños paquetes de energía con energía y longitud de ondas definidas.

La emisión de un fotón se presenta cuando un electrón cae desde un estado más alto o nivel cuántico en un átomo. Por ejemplo, los átomos de sodio emiten luz amarilla porque el salto predominante del electrón está acompañado de la emisión del fotón de aproximadamente y=5980 Ä. En materiales fluorescentes y fosforescentes, los fotones de mayor energía tales como los rayos X son absorbidos por electrones que regresan nuevamente a través de una serie de trampas de electrones formadas por átomos de impurezas. La caída desde un trama intermedia al nivel normal está acompañada por la emisión de luz visible.

El calor específico es la energía requerida para elevar a temperatura de un sistema de 1 K y se puede considerar como un aumento en las energías potenciales y cinéticas de los átomos.

La conductividad térmica se debe al movimiento de portadores como los electrones y fotones. Debido a la gran cantidad relativamente libre de electrones en los metales la conductividad es grande. La expansión térmica se debe al hecho de que aunque los átomos vibran aproximadamente en una posición promedio, las distancias entre posiciones promedio cambian con la temperatura.

4. DEFINICIONES:

Emisión de la luz Emisión de fotones son longitudes de onda en el espectro visible, producida por saltos de electrones desde niveles de energía más altos a más bajos.

Fluorescencia Emisión continúa de luz en el espectro visible después de quitar la fuente de luz ultravioleta.

Absorción preferencial de ciertas longitudes de ondas.

Efecto fotoeléctrico Absorción de fotones de longitudes de onda definidas que conducen a la emisión de electrones, es decir, a la corriente fotoeléctrica.

Transparencia Estado en el cual los fotones de luz transmitida no interaccionan con los electrones de la estructura. La energía del fotón es insuficiente para liberar los electrones enlazados. Un ejemplo de material transparente es el diamante.

Centros de calor absorción preferencial y transmisión de fotones de ciertas longitudes de ondas (coloreadas) debido a que ciertos iones (elementos de trasmisión) tienen electrones en la capa interna que interactúan con fotones de ciertas longitudes de onda y no interactúan con otros.

Calor especifico C, calor necesario para elevar la temperatura de un sistema 1 K, medido en cal/mol-k.

Conductividad térmica cantidad de calor transmitido a través de un volumen unitario en una unidad de tiempo. Conductividad térmica=cal/cm-seg-k.

Expansión térmica Cambio en la unidad de longitud por cambio en la unidad temperatura.

3. BIBLIOGRAFIA:

Libro: Materiales de ingeniería, autor: Richard A. Flinn

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