¿Qué son las propiedades térmicas y cuáles son? (Con ejemplos)
¿Qué son las propiedades térmicas?
Las propiedades térmicas de los materiales consisten en las respuestas de estos ante las variaciones de la temperatura. Por ejemplo, es sabido que la mayoría de las sustancias se expande al calentarse y se contrae cuando se enfría.
El diseño de las piezas más diversas requiere el uso de materiales con ciertas propiedades térmicas, a fin de garantizar su correcto funcionamiento. Muchas partes mecánicas están expuestas al calor intenso durante la operación, y es preciso que mantengan sus dimensiones y estructura ante los esfuerzos a los que están sometidas.
Incluso otras propiedades de los materiales, además de las mecánicas, como las propiedades eléctricas y magnéticas, son afectadas por los cambios de temperatura. De allí la importancia de conocerlas.
Entre las principales propiedades térmicas están la capacidad calorífica, la conductividad térmica, la dilatación térmica, la fusibilidad y la soldabilidad. Sus principales características se describen brevemente a continuación.
1. Capacidad calorífica
Es la propiedad que señala cuán fácil es que un material dado absorba calor. Matemáticamente, la capacidad calorífica C se define como la tasa de cambio del calor Q respecto a la temperatura T:
C = dQ /dT
La unidad de medida de C en el Sistema Internacional de Unidades SI es el joule /kelvin o J/K, pero también se emplea el joule /grado Celsius o J/Cº.
Definida de esta manera, la capacidad calorífica es una propiedad del objeto y no del material, pero si se incluye la masa y se define la capacidad calorífica por unidad de masa, entonces se tiene una propiedad del material llamada calor específico o capacidad calórica específica.
El calor específico en unidades SI, es la cantidad de calor en joules que se precisa para elevar la temperatura de 1 kg de la sustancia en 1 kelvin. Se denota con la letra “c” minúscula, para distinguirlo de C:
c = dQ /m∙dT
Otras unidades de c que se utilizan con frecuencia son J/mol. K y el J/Kg. Cº. De igual manera se utilizan mucho la caloría y el BTU, otras unidades para medir energía calórica. El calor específico en los gases se mide, ya sea a volumen constante o a presión constante.
Calor específico del agua
El calor específico del agua a presión atmosférica y 25ºC de temperatura, es 4190 J/Kg. Cº, mientras que, para un metal de uso frecuente como el hierro, es de 460 J/Kg. Cº. El calor específico del agua es más elevado que el de la mayoría de las sustancias, por ello tiene una mayor capacidad para absorber calor o para cederlo, de allí que el agua se utiliza ampliamente en sistemas de refrigeración.
Efecto moderador del clima
El elevado calor específico del agua genera un efecto moderador del clima en las regiones costeras, evitando los cambios muy acentuados de temperatura.
2. Conductividad térmica
Esta propiedad indica la aptitud de una sustancia para transportar el calor, siendo su recíproco la resistividad térmica, que es la resistencia a dejar pasar el calor.
Se ha observado que el flujo de energía por unidad de área y unidad de tiempo, es proporcional al gradiente o variación de la temperatura a lo largo de la dirección del flujo.
La constante de proporcionalidad es precisamente la conductividad térmica y, en unidades del Sistema Internacional, se mide en W /(m/K).
Conductividad térmica de los metales
Todos han observado alguna vez lo fácil que se calientan los objetos de metal y también cómo, a temperatura ambiente, parecen estar más fríos que un papel o un pedazo de madera.
Sucede que los átomos de los metales tienen electrones libres en las capas más externas, poco ligados al núcleo.
Estos electrones pueden moverse con facilidad dentro del material, aprovechando para transportar energía térmica. Es por ello que los metales tienen elevadas conductividades térmicas, y de igual manera, por la misma razón, son buenos conductores de la electricidad.
En cambio, los gases como el aire, las cerámicas, plásticos y madera son pobres conductores del calor, al carecer de electrones libres. Por lo tanto, son buenos aislantes térmicos.
Pese a ello, la sustancia con la mayor conductividad térmica que se conoce no es un metal, sino el diamante, con 2000-2200 W /(m/K) a 25 ºC. Le siguen metales como la plata y el cobre, con 429 y 398 W /(m/K) respectivamente.
3. Dilatación térmica
Casi todas las sustancias se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. En los sólidos existen fuerzas entre los átomos que mantienen la cohesión, las cuales pueden imaginarse como resortes que conectan a los átomos.
En el interior del material, los átomos no están quietos, sino en constante vibración alrededor de una posición de equilibrio. Al aumentar la temperatura, la amplitud de esta vibración se hace mayor.
Ahora bien, sucede que esos resortes imaginarios que unen a los átomos se estiran con más facilidad de lo que se pueden contraer. De allí que la distancia media entre los átomos se incremente con la temperatura, y el material termine expandiéndose.
En una varilla delgada hecha de un determinado material, la variación de su longitud al calentarse, llamada ΔL, es proporcional a la longitud inicial de la varilla Lo y al cambio en la temperatura ΔT. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de expansión lineal α, cuyas unidades son de inverso de temperatura y es característico de la sustancia:
ΔL = α∙Lo∙ ΔT
De forma semejante, se puede definir la dilatación térmica superficial, como la que experimenta una lámina delgada, y la dilatación térmica volumétrica, que experimenta un objeto tridimensional cualquiera.
Ejemplos de dilatación térmica
Cuando se pavimenta una calle o se colocan los adoquines sobre la acera, se deja un espacio entre los cuadros, de tal manera que cuando se calienten por el sol durante el verano, tengan espacio para la expansión, sin resquebrajarse.
Asimismo, una estrategia para abrir un frasco con la tapa muy apretada es calentarla un poco sumergiéndola en agua caliente. De esta manera la tapa se expande y es más fácil desenroscarla después.
4. Fusibilidad
Hay sustancias que se funden al calentarse, como los metales, los plásticos y el vidrio. En realidad, todas las sustancias, en mayor o menor medida, son fusibles, es decir, se pueden derretir o fundir. La facilidad con que esto se logra se denomina justamente fusibilidad, pero al definir esta característica, lo que se busca son materiales apropiados para obtener piezas sanas.
En este sentido, materiales como el bronce y el latón son aptos para este cometido, pues con ellos se logra una buena fluidez y se copian bien los moldes.
Por otro lado, la aleación usada en soldadura debe tener alta fusibilidad (baja temperatura de fusión) en comparación a los materiales a soldar.
Aleaciones de estaño y plomo son buenas para unir piezas a través de soldadura blanda, en la cual se derrite la aleación, que al enfriarse adquiere una buena resistencia. De esta manera pueden soldarse piezas para motores, juguetes, cables, circuitos y más.
5. Soldabilidad
Es la capacidad que tienen las piezas de un mismo material, o bien de materiales distintos, para adherirse unas a otras, mediante calentamiento y compresión. Puede hacerse calentando las piezas directamente hasta que alcanzan la temperatura de fusión, o bien empleando algún material intermedio que permita la adhesión.
El propósito es lograr que las piezas soldadas mantengan su integridad, sin presentar fisuras, tensiones o deformaciones que afecten el funcionamiento de la pieza soldada.
Metales como el hierro tienen buena soldabilidad, así como el acero de bajo contenido en carbono. En cambio, no son soldables los metales y aleaciones que se derriten rápidamente, esto es, sin pasar por un periodo plástico. El bronce, por ejemplo, es una aleación a base estaño y cobre con otros minerales, que normalmente es difícil de soldar.