PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES

Manufactura – Propiedades física de los materiales

PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES 1. Propiedades Propiedades volumétricas volumétricas y de fusión Las propiedades físicas, es usado común mente para definir el comportamiento de los materiales materiales en respues respuesta ta a la fuerza fuerza física física distante distante de las mecánicas mecánicas.. Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es frecuente que influya en el rendimiento del proceso. Las propiedades volumétricas y fusión se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta la temperatura. 1.1 Densidad La densidad de una sustancia es el cociente entre la masa y el volumen: Densidad = Masa/Volumen d = m/V La masa y el volumen son propiedades generales o extensivas de la materia, es decir son comunes a todos los cuerpos materiales y además dependen de la cantidad cantidad o extensió extensión n del cuerpo. cuerpo. En cambio cambio la densida densidad d es una propiedad propiedad característica, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de cobre de diferentes pesos 1,00 g, 10,5 g, 264 g, todas tienen la misma densidad, 8,96 g/cm 3. La densidad se puede calcular de forma directa midiendo, independientemente, la masa y el volumen. La densidad absoluta o densidad normal normal (también (también llamada densidad real) expresa la masa masa por por unida unidad d de volum volumen en.. Cuan Cuando do no se hace hace ningun ninguna a aclar aclarac ación ión al respecto respecto,, el término término «densid «densidad» ad» suele suele entende entenderse rse en el sentido sentido de densidad densidad absoluta. La densidad es una magnitud intensiva. intensiva . Donde ρ es la densidad absoluta, m es la masa y V es el volumen. Aunque la unidad en el Sistema Internacional Internacional de Unidades (SI) es kg/m 3, también es costumbre expresar la densidad de los líquidos en g/cm 3. La densidad relativa o aparente expresa la relación entre la densidad de una sustancia y una densidad de referencia, resultando una magnitud adimensional y, por tanto, sin unidades. Donde ρr es la densidad relativa, ρ es la densidad absoluta y ρ 0 es la densidad de referencia. La densidad de referencia habitualmente es la densidad del agua líquida cuando la presión es de 1 atm y la temperatura es de 4 °C °C.. En esas condiciones, la densidad 3 absoluta del agua es de 1000 kg kg//m , es decir, 1 kg/L kg/ L. 1


1.2 Expansión térmica Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio. El coeficiente de dilatación lineal, designado por α L, para una dimensión lineal cualquiera, se puede medir experimentalmente comparando el valor de dicha magnitud antes y después de cierto cambio de temperatura como:

Donde ΔL, es el incremento de longitud cuando se aplica un pequeño cambio global y uniforme de temperatura Δ T a todo el cuerpo. El cambio total de longitud de la dimensión lineal que se considere, puede despejarse de la ecuación anterior:

Donde: α=coeficiente de dilatación lineal [1/C°] L0 = Longitud inicial Lf = Longitud final T 0 = Temperatura inicial . T f = Temperatura final coeficiente de dilatación volumétrico Es el coeficiente de dilatación volumétrico, designado por α V , se mide experimentalmente comparando el valor del volumen total de un cuerpo antes y después de cierto cambio de temperatura como, y se encuentra que en primera aproximación viene dado por:

1.3 Características de fusión El punto de fusión es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido de una sustancia, coexisten en equilibrio térmico, a una presión de una atmósfera 2


Al efecto de fundir un metal se le llama fusión (no confundir con el punto de fusión). También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir una sustancia sólida, congelada o pastosa, en líquida. En la mayoría de las sustancias, el punto de fusión y de congelación, son iguales. 2. Propiedades térmicas La expansión térmica, fusión, y temperatura de fusión son propiedades térmicas porque la temperatura determina el nivel de energía térmica de los átomos, lo que lleva a cambios a los materiales. Por "propiedad o característica térmica" se entiende la respuesta de un material al ser calentado a medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura y sus dimensiones aumentan. la energía puede transportarse de las regiones calientes a las regiones más frías de la muestra si existe un gradiente de temperatura y, finalmente la muestra puede fundirse La capacidad calorífica, la dilatación térmica, la conductividad térmica y la refractariedad (resistencia piroscópica) son propiedades muy importantes en la utilización práctica de los materiales y, en particular, de los materiales refractarios. 2.1 Calor específico y conductividad térmica

3. Difusión de masa La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y 3


pasa a un lugar de baja concentración. El proceso de transferencia molecular de masa, al igual que la transferencia de calor esta caracterizado por el mismo tipo general de ecuación. El mecanismo real de transporte difiere en gran medida entre gases, líquidos y sólidos debido a las diferencias sustanciales en la estructura molecular de los 3 estados físicos. Por lo tanto los gases se difunden con mayor facilidad que los líquidos y los sólidos. Los mecanismos de difusión en sólidos se dividen en dos grandes campos: la difusión de líquidos y gases en los poros de un sólido y la autodifusión de los constituyentes de los sólidos por movimiento atómico Hay dos modos de transferencia de masa: a. molecular: La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos ( movimiento individual de las moléculas ), debido a una diferencia de concentraciones. La difusión molecular puede ocurrir en sistemas de fluidos estancados o en fluidos que se están moviendo. b. convectiva: La masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento. El flujo turbulento resulta del movimiento de grandes grupos de moléculas y es influenciado por las caracter ísticas dinámicas del flujo. Tales como densidad, viscosidad, etc. 4. Propiedades eléctricas Al aportar calor a un cuerpo, aumenta su temperatura. Supondremos que no se modifica el estado de agregación del cuerpo, es decir, no se funde, no se evapora ni sublima. La relación entre la cantidad de calor aportado y la elevación de temperatura se expresa: ∆Q = c ⋅ ∆Τ

La magnitud c se denomina capacidad calorífica del cuerpo, y es proporcional a su masa m según c=c.m; la capacidad calorífica por unidad de masa. 4.1 Resistividad y conductividad La resistividad es una característica propia de un material medido, con unidades de ohmios–metro, que indica que tanto se opone éste (el material) al paso de la corriente. La resistividad [ρ] (rho) se define como: ρ = R *A / L 4


Donde: ρ; es la resistividad medida R; es el valor de la resistencia l; es la longitud del material A; es el área transversal medida en metros 2.

en eléctrica medida

ohmios-metro. en Ohmios. en metros.

De la anterior fórmula se puede deducir que el valor de una resistencia, utilizada normalmente en electricidad y electrónica, depende en su construcción, de la resistividad (material con el que fue fabricado), su longitud, y su área transversal. R=ρ*L/A A mayor longitud y menor área transversal del elemento, más resistencia A menor longitud y mayor área transversal del elemento, menos resistencia La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto el S/m (siemens por metro).

, y su unidad es

No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia:

.

4.2 Clase de materiales según sus propiedades eléctricas Propiedades eléctricas: basadas en como reacciona un material ante un campo eléctrico. Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico -que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- y describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por 5


deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes, por ello al observar la tabla siguiente podemos observar que dependiendo de su tipo y estructura electrónica la conductividad es alta o baja. 5. Proceso electroquímico Los procesos electroquímicos son aquellos en donde se produce la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. Por ejemplo las pilas o batería. En las pilas se genera corriente eléctrica a partir de una reacción química de oxidoreducción en donde un metal es oxidado y otro es reducido. Un proceso electroquímico a nivel industrial es el galvanizado de metales en donde se recubre un metal a partir de otro, por ejemplo el cromado de tubos o herramientas de acero o hierro con cromo. A nivel de laboratorio existen procesos electroquímicos para hacer determinaciones de variables como pH, o calculo de titulaciones. En un electrodo usado para estas determinaciones se da un proceso electroquímico.

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