Propiedades Fundamentales de los Materiales: Extensivas, Intensivas y Térmicas

Propiedades Fundamentales de los Materiales

Clasificación de Propiedades

Las propiedades de los materiales se clasifican principalmente en extensivas e intensivas, basándose en su dependencia con la cantidad de materia.

Propiedades Extensivas

Se caracterizan porque dependen de la cantidad de materia presente. Ejemplos de propiedades extensivas son la masa y el volumen. Más materia implica mayor masa o mayor volumen. Las propiedades extensivas son aditivas (se pueden sumar).

Propiedades Intensivas

No dependen de la cantidad de masa y, además, no son aditivas. Por ejemplo, la densidad y la temperatura no cambian con la cantidad de materia.

Definiciones de Propiedades Macroscópicas

Masa

Cantidad de materia de un cuerpo, independientemente de las fuerzas que actúen sobre él, refiriéndose específicamente a la inercia o la cantidad de sustancia.

Volumen

Es la cantidad de espacio tridimensional que ocupa una sustancia.

Temperatura

Se define como la manifestación de la cantidad de calor presente en un cuerpo.

Densidad ($\rho$): Relación Masa-Volumen

Relación entre la masa y el volumen del material. Su unidad es $\text{kg/m}^3$ o $\text{g/cm}^3$.

Orden de Densidades Típicas (de mayor a menor)

• Metales: entre $1750$ y $9000 \text{ kg/m}^3$.
• Cerámicos: entre $2200$ y $5600 \text{ kg/m}^3$.
• Polímeros: entre $850$ y $2200 \text{ kg/m}^3$.

Aplicaciones de la Densidad

• Baja densidad: Equipos de alta velocidad, imprentas, maquinaria textil, máquinas-herramienta.
• Alta densidad: Contrapesos (plomo, acero), componentes para relojes automáticos (tungsteno).

Gravedad Específica

Se utiliza para describir a los líquidos. Se define como la proporción de la densidad del fluido de que se trate y la densidad del agua, estando el agua a $4^{\circ}\text{C}$ ($39.2^{\circ}\text{F}$). La densidad del agua a $4^{\circ}\text{C}$ es de $1000 \text{ kg/m}^3$. Es una propiedad adimensional y requiere que se traten las mismas unidades.

Propiedades Ópticas

Son la respuesta de los materiales a las radiaciones electromagnéticas y, en especial, a la luz visible.

Clasificación según la Transmisión de Luz

• Transparentes: Materiales que transmiten la mayor parte de la luz y permiten la visión de los objetos (absorción y reflexión bajas).
• Translúcidos: Materiales que transmiten una parte de la luz de forma difusa, pero no permiten la visión clara de los objetos del otro lado.
• Opacos: Materiales que no transmiten la luz. El color de los objetos opacos se relaciona con la composición de la luz reflejada.

Características de Materiales Transparentes

Los materiales transparentes (vidrios y algunos polímeros, todos ellos de estructura amorfa) se caracterizan por:

1. Transmisividad elevada: entre $80\%$ y $95\%$.
2. Índice de refracción ($\xi$): entre $1.3$ y $2.0$.

Refracción e Índice de Refracción

Refracción: La luz transmitida en el interior de un material transparente experimenta disminución de la velocidad y, en consecuencia, la dirección de propagación cambia, o se desvía, en la intercara.

Índice de refracción ($\xi$): Es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (o en el aire) y la velocidad de la misma en el medio estudiado.

Propiedades Térmicas

Dilatación Térmica

Propiedad de los materiales de dilatarse (expandirse, aumentar sus dimensiones) cuando aumenta su temperatura.

Calor Específico

Es la energía requerida para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado ($\text{J/kg}\cdot^{\circ}\text{K}$).

Conductividad Térmica

Cociente entre la energía o flujo calorífico que atraviesa una unidad de superficie en la unidad de tiempo y la variación (o gradiente) de temperatura por unidad de longitud. Indica la tasa a la cual fluye dentro y a través del material. Unidades: $\text{J/s}\cdot\text{m}\cdot^{\circ}\text{K}$.

Temperaturas Característicass

Diversas temperaturas definen cambios de estado o comportamiento en los materiales:

• Temperatura de fragilización: Temperatura por debajo de la cual determinados metales y polímeros pierden súbitamente su tenacidad.
• Temperatura de transición vítrea, $T_g$: Temperatura propia de los materiales no cristalinos (vidrios, plásticos y elastómeros), por debajo de la cual experimentan un gran aumento de la rigidez.
• Temperatura de fusión, $T_m$: Temperatura por encima de la cual los materiales cristalinos pierden su consistencia sólida.
• Temperatura de descomposición, $T_d$: Temperatura por encima de la cual los polímeros se degradan químicamente.

Punto de Fusión

Temperatura a la cual el sólido se funde para convertirse en un líquido. Es necesario conocer los puntos de fusión para:

1. Operaciones de recocido.
2. Tratamiento térmico.
3. Trabajos en caliente.