Principios Esenciales de la Física de Materiales y la Transferencia de Calor

Cuestionario de Física: Propiedades de Materiales y Transferencia de Calor

1. Aplicación del Módulo de Resiliencia en la Zona Plástica

¿Puede usted aplicar el concepto de Módulo de Resiliencia en la zona plástica? Argumente con lenguaje técnico definiendo los términos subrayados.

Respuesta: No. El Módulo de Resiliencia es la capacidad de un material para absorber energía en la zona elástica, lo que implica que el material puede recuperar su estado original sin deformación permanente. En contraste, en la zona plástica del ensayo de tensión-deformación, la deformación es permanente y el material no recupera su condición original. Por lo tanto, el concepto de Módulo de Resiliencia no es aplicable en la zona plástica.

2. Definición del Módulo de Tenacidad de Materiales

Defina el Módulo de Tenacidad de materiales. Haga el diagrama esquemático de Tensión vs. Alargamiento y además indique allí a qué corresponde.

Respuesta: El Módulo de Tenacidad es la capacidad que tiene un material de absorber energía y sufrir deformación plástica antes de la fractura. En el gráfico de tensión vs. deformación, corresponde al área total bajo la curva, desde el origen hasta el punto de ruptura. Esta área representa la energía por unidad de volumen que el material puede absorber antes de fallar.

3. Reducción del Coeficiente de Dilatación en Aceros

En la práctica de la fabricación de los aceros, ¿cómo se reduce el coeficiente de dilatación? Explique a nivel molecular. Señale una aplicación industrial de este tipo de aceros.

Respuesta: El coeficiente de dilatación en los aceros se reduce a través de una aleación metálica adecuada, como la adición de elementos como el molibdeno. A nivel molecular, al incorporar átomos pesados (como el molibdeno) que son más pequeños entre los átomos de Fe (que constituyen la base de los aceros), se minimizan los espacios interatómicos en la red cristalina. Esto genera fuerzas de unión más fuertes y de corta distancia entre los átomos, lo que aumenta la resistencia a su separación cuando la temperatura se eleva. Los átomos quedan más cercanos, fortaleciendo las interacciones y reduciendo la expansión térmica.

Una aplicación industrial de este tipo de aceros de baja dilatación es en la fabricación de componentes de precisión que operan bajo variaciones de temperatura, como moldes de inyección, herramientas de alta precisión o componentes para la industria aeroespacial.

4. Transferencia de Calor entre Cuerpos

Explique técnicamente y con argumento termodinámico por qué un cuerpo con menor cantidad de calor puede hacer transferencia de calor a un cuerpo con mayor cantidad de calor.

Respuesta: La transferencia de calor no depende de la "cantidad de calor" almacenada en un cuerpo (que es un concepto impreciso, ya que el calor es energía en tránsito), sino de la diferencia de temperatura. Un cuerpo con menor energía interna (o "menor cantidad de calor" en lenguaje coloquial) puede transferir calor a otro con mayor energía interna si el primero tiene una temperatura más alta. El flujo de calor siempre se produce espontáneamente desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura, de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica.

5. Variables de la Tasa de Conducción de Calor

Señale todas las variables de las que depende la velocidad de conducción de calor en un material. Señale una a una si el efecto colabora o disminuye la conducción calórica.

Respuesta: La tasa de transferencia de calor por conducción (Q) en un material depende de las siguientes variables, según la Ley de Fourier de la Conducción de Calor:

• Área de transferencia (A): Colabora. A mayor área, mayor flujo de calor.
• Espesor del material (x): Disminuye. A mayor espesor, menor flujo de calor.
• Conductividad térmica (k): Colabora. Un material con mayor conductividad térmica permite un mayor flujo de calor.
• Diferencia de temperatura (ΔT) entre las superficies: Colabora. A mayor diferencia de temperatura, mayor flujo de calor.

La relación se expresa mediante la fórmula:

Q = k * A * ΔT / x

6. Disminución de la Conductividad Térmica en Líquidos con la Temperatura

¿Por qué cuando aumentamos la temperatura en un líquido disminuye la conductividad térmica? Explique en términos moleculares y uso de la termodinámica.

Respuesta: En estado líquido, las moléculas se encuentran relativamente cercanas. Al aumentar la temperatura, la energía cinética de las moléculas se incrementa, lo que provoca un aumento en la distancia promedio entre ellas. Este incremento de distancia reduce la frecuencia de las colisiones intermoleculares, que son el principal mecanismo de transferencia de energía (calor) en los líquidos. Menos colisiones efectivas significan una menor eficiencia en la transferencia de energía cinética de una molécula a otra, lo que resulta en una disminución de la conductividad térmica.

7. Excepción del Agua a la Disminución de Conductividad Térmica con la Temperatura

Con respecto a la pregunta anterior, ¿Por qué el agua no cumple esta condición? Explique en términos moleculares y uso de la termodinámica.

Respuesta: El agua es una excepción debido a su polaridad y la formación de puentes de hidrógeno. Al adquirir energía térmica, las moléculas de agua no solo aumentan su energía cinética de traslación, sino que también invierten una parte significativa de esa energía en modos de energía cinética de rotación y vibración. Esto significa que una porción de la energía recibida se "almacena" en estos movimientos internos en lugar de contribuir directamente a la energía cinética de traslación que facilita las colisiones y la transferencia de calor. Además, la estructura de los puentes de hidrógeno del agua es compleja y cambia con la temperatura, afectando su capacidad de conducir calor de manera no lineal, especialmente a bajas temperaturas donde la red de puentes de hidrógeno es más estructurada.

8. Incremento de la Conducción Térmica en un Gas

¿Qué variable termodinámica produce el incremento en el valor de la conducción térmica en un gas y por qué? Responda en términos moleculares.

Respuesta: La conductividad térmica en un gas se incrementa principalmente con el aumento de la temperatura. Esto se debe a que, a mayor temperatura, las moléculas del gas poseen una mayor energía cinética promedio y, por lo tanto, se mueven a mayores velocidades. Esto conduce a un aumento en la frecuencia de las colisiones entre moléculas, lo que facilita una transferencia de energía cinética más eficiente entre ellas. La conductividad térmica de un gas es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.

Otro factor que influye es la masa molar decreciente de las moléculas. Moléculas con menor masa molar, para una misma temperatura (y por lo tanto, la misma energía cinética promedio), tienen velocidades más altas. Estas velocidades más elevadas resultan en una mayor frecuencia de colisiones y, consecuentemente, una mejor transferencia de energía.

9. Aspecto Físico que Explica la Conductividad Térmica en un Sólido

¿Qué aspecto físico explica la conductividad térmica en un sólido? Responda en términos moleculares.

Respuesta: La conductividad térmica en un sólido se explica principalmente por dos componentes:

1. Componente Reticular (Fonones): Se refiere al ordenamiento de los átomos en la red cristalina. En los sólidos, los átomos están muy cercanos y ordenados en una geometría espacial específica. La energía térmica se propaga a través de las vibraciones de estos átomos, que se transmiten de uno a otro como ondas de vibración colectivas llamadas fonones. La cercanía y el ordenamiento facilitan las colisiones regulares y la transferencia eficiente de energía.
2. Componente Electrónica: En los metales, los electrones libres (electrones de valencia deslocalizados) son excelentes portadores de energía. Se mueven rápidamente a través de la red atómica, colisionando con los átomos y transfiriendo energía calórica de un punto a otro. Esta es la razón principal por la que los metales son, en general, mucho mejores conductores térmicos que los no metales.

10. Cálculo de la Conductividad Térmica en Aleaciones

Si se fabrica una aleación entre dos metales con conducción térmica k1 y k2, ¿Cómo se esperaría calcular la conductividad térmica (K)?

Respuesta: La conductividad térmica de una aleación no se calcula simplemente como un promedio entre k1 y k2. Generalmente, se determina empíricamente mediante ensayos en aleaciones experimentales. Esto se debe a que la estructura cristalina de la aleación cambia internamente de manera compleja. La introducción de átomos de un metal en la red del otro (o la formación de nuevas fases) crea imperfecciones y distorsiones en la red. Estas distorsiones actúan como centros de dispersión para los portadores de calor (fonones y electrones), interrumpiendo su movimiento ordenado y reduciendo la eficiencia de la transferencia de energía. Por lo tanto, la conductividad térmica de una aleación suele ser inferior a la de sus componentes puros, y a menudo incluso menor que la del componente con menor conductividad.

11. Origen de la Radiación Térmica

¿Cuál es el origen de la Radiación Térmica? Refiérase a la cuantificación de la energía de cada partícula fotónica y la intensidad de la radiación radiada.

Respuesta:

Origen de la Radiación Térmica

La radiación térmica se origina de la energía térmica de los átomos y moléculas de un material. Esta energía se manifiesta en la vibración, rotación y traslación de las partículas, así como en las transiciones electrónicas. Cuando estas partículas cargadas (electrones y núcleos) se aceleran o desaceleran debido a su agitación térmica, emiten fotones, que son paquetes de energía electromagnética. Cuanto mayor es la temperatura de un cuerpo, mayor es la agitación térmica y, por lo tanto, mayor es la energía y el número de fotones emitidos.

Cuantificación de la Energía Fotónica

La energía de cada fotón individual está cuantificada y es directamente proporcional a su frecuencia (ν), según la relación de Planck:

E = hν

donde h es la constante de Planck. Esto significa que los fotones de mayor frecuencia (como los de luz visible o ultravioleta, emitidos a temperaturas muy altas) tienen mayor energía que los de menor frecuencia (como los infrarrojos, emitidos a temperaturas más bajas).

Intensidad de la Radiación

La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo (potencia radiada por unidad de área) es proporcional al número de fotones emitidos por unidad de tiempo y a la energía promedio de esos fotones. Según la Ley de Stefan-Boltzmann, la potencia total de radiación emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta (P = σAT⁴). Esto implica que un pequeño aumento en la temperatura resulta en un aumento significativo de la intensidad de la radiación.