Práctica 8. Propiedades Térmicas PDF

PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 PRÁCTICA 8. PROPIEDADES TÉRMICAS ACTIVIDAD 1: DILATACIÓN TÉRMICA 1.1Introducción La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prácticamente todas las características de los materiales....

PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 PRÁCTICA 8. PROPIEDADES TÉRMICAS ACTIVIDAD 1: DILATACIÓN TÉRMICA 1.1Introducción La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prácticamente todas las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varía, por lo que los efectos térmicos sobre estas propiedades deberán tenerse en cuenta siempre ala hora de dimensionar o seleccionar el material idóneo. En efecto, cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor,lo transmite y se expande. Estos tres fenómenos dependen respectivamente de tres propiedades características del material: la capacidad calorífica o su equivalente calor específico, de su conductividad térmica y de su coeficiente de dilatación. En la presente actividad se estudiará la dilatación térmica de varios materiales. 1.2Dilatación térmica Al aumentar la temperatura, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un incremento en la distancia interatómica d0 de equilibrio, y por tanto haciendo aumentar las dimensiones del material. El cambio de dimensión dL por unidad de longitud y por grado centígrado (o absoluto) de temperatura está dado por la expresión: 𝑑𝐿 𝛼= 𝐿 ∙ 𝑑𝑇 donde a se define como el coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación. El conocimiento del coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación permite determinar los cambios dimensionales que sufre el material como consecuencia de un cambio en su temperatura. LT = LT 0 ×(1+ a [T - T 0 ]) La determinación experimental del coeficiente de dilatación correspondiente a unmaterial en un rango de temperaturas dado se realiza con ayuda de un dilatómetro. 1.1 Procedimiento operatorio para el estudio de la dilatación térmica Se persigue obtener el coeficiente de dilatación térmica en un metal y observar sucomportamiento al elevar la temperatura con el tiempo. Descripción: El ensayo se realiza con ayuda de un dilatómetro, equipo que permite registrar el incremento de longitud experimentado por el material conforme incrementa su temperatura. El equipo dispone de 4 resistencias calefactoras tubulares, pudiéndose usar cualquiera de ellas indistintamente cambiando el reloj comparador y los cables dealimentación de sitio. En la práctica se medirán los coeficientes de dilatación lineal de tres materiales: cobre, aluminio y un acero al carbono. Para la realización del ensayo se deben seguir los siguientes pasos: 1. Medir la longitud inicial de la barra de material (L0) a medir. 2. Colocar cuidadosamente la barra dentro de una de las 4 resistencias tubulares,asegurándose de que toca la base. 1  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 3. Con el reloj al aire, verificar que la aguja del reloj comparador está horizontal o, preferiblemente, un poco inclinada hacia abajo. Si no es así, puede girarla con suavidad usando la mano (Figura 1.1.a) Figura 1.1.a) Ajuste de la leva del reloj comparador. b) Dial indicador 4. Girar el dial hasta que la aguja marque cero. 5. Colocar el termopar en el agujero de la probeta (Figura 1.2.a). 6. Colocar el reloj comparador en el perfil de aluminio, apoyando en la probeta, ysujetarlo firmemente con el tornillo frontal. La operación puede requerir de unpoco de paciencia. Cuando el tornillo esté apretado, la aguja debería quedar un poco desplazada respecto al cero. Esto asegura que está haciendo contacto con la probeta. 7. El extremo de la aguja debe quedar apoyado en el extremo de la probeta sin molestar al termopar. Si no es así, puede desplazar el comparador hacia afueraaflojando la tuerca que lo une al eje de soporte (Figura 1.2.b). No hacer esta operación si no es necesario 8. Conectar la fuente de alimentación a la resistencia mediante los conectores rojo y negro inferiores. Figura 1.2. a) Detalle del agujero para la colocación el termopar. b) Posicionamiento de loselementos de medición. 9. Aumentar paulatinamente el voltaje, hasta que se alcancen 90ºC o se llegue a 20 voltios. Hay que tener en cuenta la inercia térmica del sistema, por lo que para alcanzar la temperatura de 90ºC bastará con apagar la resistencia unos grados antes. 10. Durante el calentamiento vaya tomando valores te temperatura y dilatación cada, aproximadamente, 10ºC. 11. A continuación, podemos realizar el mismo procedimiento para otro material en otra resistencia del dilatómetro. PRECAUCIONES: Para realizar una medición NO es necesario superar los 100ºC ni alimentar la resistenciacon más de 20 voltios. Las resistencias y las probetas pueden alcanzar temperaturas bastante superiores a los 100ºC. Tenga cuidado al manejar el equipo y use guantes antitérmicos y pinzas paracoger y colocar las probetas. 1.5 Bibliografía de referencia Fundamentos de ciencia de los materiales. Carlos Ferrer, Vicente Amigó, Mª Dolores Salvador, Alfonso C. Cárcel, Emilio Francisco Segovia. Tomo II. Editorial UPV. (Cap.11). Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros. James F. Shackelford, Ed Pearson 6º Ed 2005. (Cap. 7). 2  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 ACTIVIDAD 1: INFORME DE PRÁCTICA Representa la dilatación térmica de los diferentes materiales ensayados tras rellenarla tabla de toma de datos (deformación vs. incremento de temperatura). Calcula el coeficiente de dilatación lineal a. Cobre Acero Aluminio T(ºC) ΔL (mm) T(ºC) ΔL (mm) T(ºC) ΔL (mm) ΔLf α DL/L (mm/mm) DT (ºC) Comenta los resultados obtenidos. 3  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 Busca en bibliografía los valores de puntos de fusión de los tres materiales yrepreséntalos en función del coeficiente de dilatación a. ¿Hay alguna correlación? ¿Cómo se justifica? Tfusión (ºC) a 4  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 ACTIVIDAD 2: CONDUCTIVIDAD TÉRMICA 2.1Introducción La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta a prácticamente todas las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varía, por lo que los efectos térmicos sobre estas propiedades deberán tenerse en cuenta siempre ala hora de dimensionar o seleccionar el material idóneo. En efecto, cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor,lo transmite y se expande. Estos tres fenómenos dependen respectivamente de tres propiedades características del material: la capacidad calorífica o su equivalente calor específico, de su conductividad térmica y de su coeficiente de dilatación. En la presente actividad se estudiará la conductividad térmica de los materiales. 2.2Conductividad térmica La conductividad térmica k (o l según otras fuentes) es una propiedad de los materialesque determina la velocidad a la que el calor se transmite en el material, siendo un factorde máxima importancia en aplicaciones que involucren la transferencia de calor: moldes de solidificación, intercambiadores, pantallas aislantes, etc. La ecuación fundamental que regula el flujo de calor Q por unidad de tiempo a través de una sección A, cuando existe un gradiente de temperatura dT/dx, viene dada por la expresión, ya conocida por física fundamental: 𝑑𝑇 𝑄 = −𝑘 ∙ 𝑑𝑥 Indicar que, la cantidad de energía transmitida en un material metálico depende de la cantidad de electrones excitados y de su movilidad, factores idénticos a los que controlan la conductividad eléctrica. Sin embargo, la cantidad de energía transmitida en un material no metálico se realiza fundamentalmente mediante vibraciones elásticas dela red, ya que los electrones no son libres. 2.3Procedimiento operatorio para el estudio de la conductividad térmica Se persigue observar la diferente respuesta a la transmisión del calor de distintos materiales metálicos. Se utilizará un equipo de medición GUNT WL420. Descripción: El equipo aplica calor a un extremo de la probeta mientras enfría el extremo opuesto. Una vez se alcanza el estado estacionario se puede obtener la conductividad térmica del material de manera sencilla, ya que conocemos la longitud, la diferencia de temperaturas y el flujo de calor. Los materiales que se pueden analizar son aluminio, cobre y latón. Por limitaciones de tiempo se recomienda medir primero la pareja metal-aleación (cobre-latón) y luego el aluminio. Los pasos a seguir son los siguientes: 1) Colocar una pequeña gota de pasta conductora en cada extremo de la probeta. 2) Colocar la probeta en el portamuestras y girarla para que la pasta conductora sereparta uniformemente por toda la superficie. 3) Encender el equipo con el interruptor situado en su parte trasera. 5  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 4) Colocar los 2 termopares en los agujeros de la probeta, usando también un poco depasta conductora y tras haber ajustado las temperaturas Fig.2.1. Imagen del portamuestras. 1)Varillas de guía, 2) Calentador, 3) Probeta, 4) Termopares. 5) El software asociado al equipo se encuentra en la carpeta “Conductividad” situada en el escritorio. Dentro de esa carpeta, iniciar el programa “WL420 - Conductividad”. 6) Esperar unos minutos a que los termopares se estabilicen, después juntar las puntasde los termopares T1 y T2 unos segundos y presionar el botón “Tare”. Esto iguala las temperaturas de los termopares para compensar diferencias entre ellos. 7) En la pantalla de parámetros de ensayo (figura 2.2), introducir la separación entre termopares (L): Probetas cortas: 20 mm, Probetas largas: 40 mm. Se recomienda trabajar son sólo uno de los tamaños. 8) Se deben de introducir los valores de potencia de calentamiento en un extremo y deenfriamiento en el otro. Los valores recomendados de enfriamiento y calentamientodependen del material (mayores cuanto mayor conductividad térmica presenta). Para la práctica se recomienda empezar por los siguientes valores de potencia, aunque se pueden modificar levemente para que las temperaturas estén lo más centradas con respecto a la temperatura ambiente: Cu Latón Aluminio Acero C Ac. Inox. w(P) (heater) 80% 80 100% 50% 40% Y (cooler) 100% 100 100% 70% 60% Fig.2.2. Pantalla de selección de los parámetros y variables de ensayo 6  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 9) Podemos ver la evolución de los parámetros y variables mediante la gráfica en tiempo real (Figura 2.3) 10) En la pantalla que aparece los datos más importantes son: a. Las temperaturas de los termopares (T1 y T2) b. La separación entre ellos (L) c. La potencia de calentamiento de un extremo de la probeta (W(P) – Pel) d. La potencia de enfriamiento del otro extremo (Y) e. La conductividad calculada para el material estudiado k (Lambda) Fig.2.3. Gráfica en tiempo real con indicación de parámetros y variables 11) Los resultados del ensayo deben tomarse siempre una vez la temperatura se ha estabilizado, aunque una evolución paralela de las temperaturas T1 y T2 indica que elvalor de la conductividad que da el programa es ya bastante bueno. 2.4Bibliografía de referencia Fundamentos de ciencia de los materiales. Carlos Ferrer, Vicente Amigó, Mª DoloresSalvador, Alfonso C. Cárcel, Emilio Francisco Segovia. Tomo II. Editorial UPV. (Cap.11). Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros. James F. Shackelford, EdPearson 6º Ed 2005. (Cap. 7). 7  PRÁCTICA 7. PROPIEDADES MAGNÉTICAS. GIOI Curso 2024-2025 ACTIVIDAD 2: INFORME DE PRÁCTICA Distancia entre termopares: Diámetro: Potencia(W) Tmax(ºC) Tmin (ºC) ΔT (ºC) Conductividad (W/mK) Aluminio Cobre Latón Describe la distinta respuesta a la transmisión del calor del aluminio y cobre. ¿Cómoinfluye la naturaleza del material en la conductividad térmica? Busca en bibliografía la conductividad eléctrica de los dos materiales anteriores ¿Crees que hay alguna relación entre conductividades térmica y eléctrica en metales? ¿En qué se basaría? Compara las conductividades del cobre y latón (Cu-Zn). Comenta el resultado en base a la influencia de los aleantes en la conductividad, justificando el mecanismo. Pon algunos ejemplos en los que el material se utiliza por sus propiedades de aislamiento térmico. ¿Por qué interesa en este caso que los materiales aislantes sean porosos? 8