Propiedades térmicas de los materiales

¿Cuáles son las propiedades térmicas de los materiales? ¿Por qué para el diseño de un producto determinado se escogen materiales como el acero y no se contempla utilizar madera? Las propiedades térmicas están presentes en todo diseño estratégico, ya que las piezas más diversas tendrán que enfrentarse a requisitos como ser sometidas a un calor intenso durante un corto periodo de tiempo o, por el contrario, resistir durante un largo periodo de tiempo cambios de temperaturas a la intemperie.

En efecto, cuando se suministra calor a un cuerpo sólido, líquido o gaseoso, algunas de sus propiedades cambian. Las características térmicas están asociadas con una respuesta dependiente del material y básicamente todas las propiedades de los materiales (físicas, químicas, mecánicas, eléctricas, magnéticas y ópticas) dependen de la temperatura, si bien existen materiales diseñados específicamente para resistir al calor extremo.

Entre las características térmicas encontramos algunas relacionadas con el transporte del calor (conductividad térmica, difusividad térmica o la capacidad calorífica…), cambios de fase, como las transiciones de primer orden (la ebullición y la fusión), o las propiedades físicas, que se alteran cuando a un cuerpo se le somete a una fuente calor.

En este artículo nos detenemos en algunas de las características térmicas de los materiales más importantes en ingeniería, como la capacidad calorífica, la conductividad térmica, la expansión térmica, la fusibilidad y la soldabilidad.

1. Capacidad calorífica

La capacidad calorífica es una propiedad que indica la habilidad de un material para absorber calor y cambiar su temperatura, por lo que mide la energía externa necesaria para aumentar una unidad de temperatura (normalmente, 1°C o 1°C).

En términos matemáticos, la capacidad calorífica (C) es la tasa de cambio del calor (Q) con respecto a la temperatura (T):

C= dQ ÷ dT

En términos prácticos, la capacidad calorífica expresa la mayor o menor dificultad que presenta un cuerpo para experimentar cambios si se le expone a calor. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua de una piscina será mucho mayor que la de un vaso de agua, que podemos calentar fácilmente en un microondas.

No hay que confundirlo con el concepto de calor específico (representado por la c minúscula), que hace referencia a la capacidad calorífica por unidad de masa. Por ello, esta capacidad de un cuerpo para “almacenar calor” es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto. La unidad del calor específico en el Sistema Internacional es J/(kg∙K). De este modo, es posible calcular la cantidad de calor en julios que se necesitan para aumentar la temperatura de un kilo de sustancia determinada en 1 grado.

El diseño estratégico no puede pasar por alto las propiedades térmicas y una de las pruebas que se realizan en los materiales para determinar su envejecimiento es someterlos a una cámara climática que imita el comportamiento que presenta un material en un periodo comprendido entre los 0 y los 10 años en unas condiciones climatológicas definidas.

Aquí puedes ver un ejemplo práctico de su uso en el envejecimiento acelerado de materiales para detectar fallos críticos por corrosión.

2. Conductividad térmica

La conductividad térmica es la habilidad de un material para transferir calor. La conductividad térmica se expresa en unidades del Sistema Internacional como W/(m∙K). Los metales, que tanta capacidad tienen para resultar extremadamente calientes o helados, no ostentan la mayor conductividad térmica, sino que es el diamante. Le siguen en la lista la plata, el cobre, el carburo de silicio, el grafito, el hierro o el acero.

La razón es que los átomos de los metales cuentan con electrones libres en las capas más externas, algo que permite que puedan moverse con facilidad y transporten la energía térmica (como sucede con la electricidad). Algo que no pasa con muchos plásticos, con los materiales aislantes o con, por ejemplo, la madera. Por ello, nunca es buena idea cubrir los radiadores con muebles.

Por otro lado, la conducción térmica es el fenómeno que hace que el calor se transporte de regiones de alta temperatura a las de más baja en un material o entre distintos cuerpos. De hecho, el calor siempre fluye de la región de temperatura más elevada a la de más baja.

3. Dilatación o expansión térmica

La mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen ante el frío. La dilatación térmica de los materiales representa su expansión cuando se calientan. Puede ser en longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica. Se puede medir de diferentes formas como:

  • Dilatación lineal: cuando predomina la variación en una única dimensión.
  • Dilatación cúbica: el coeficiente de dilatación volumétrico compara el valor del volumen total de un cuerpo antes y después del cambio de temperatura.
  • Dilatación de área o superficial: cuando el cuerpo incrementa sus dimensiones en la misma proporción.

4. Fusibilidad

La fusibilidad es la facilidad con la que un material puede derretirse o fundirse. Está claro que algunos materiales, como el metal, el vidrio o los plásticos se funden fácilmente cuando se calientan, pero no siempre es esto lo que interesa cuando se están seleccionando los materiales de un producto.

Conocer esa facilidad o resistencia a fundirse es imprescindible para procesos como la soldadura, en la que se requiere que la aleación utilizada para soldar presente baja temperatura de fusión en comparación con los materiales que se van a soldar. Para las soldaduras blandas se suelen utilizar aleaciones de plomo y estaño, mientras que para las duras se usan materiales como plata, cobre o cinc.

Por otro lado, encontramos los materiales refractarios -que pueden resistir altas temperaturas sin descomponerse- como los óxidos de aluminio, de silicio y magnesio, y que se utilizan en los hornos de fundición e incineradoras.

5. Soldabilidad

Es la capacidad que tienen uno o varios materiales para que dos de sus piezas se adhieran de forma con una soldadura homogénea y de calidad, de forma que respondan a las necesidades para las cuales fueron concebidos. Se puede realizar aportando calor hasta que se alcanza la temperatura de fusión o usando un material intermedio para su adhesión. El acero, el aluminio, el níquel, el cobre o el titanio y sus aleaciones son metales que se suelen utilizar para soldadura.

En este ejemplo práctico, mediante la innovación de materiales, el equipo de Infinitia resolvió el reto de encontrar el material idóneo para recubrimientos sostenibles resistentes a corrosión, que tenía además requerimientos de altas temperaturas, elevada humedad, compatible con soldadura y a un coste razonable.

En INFINITIA Industrial Consulting somos expertos en materiales y ayudamos a decenas de empresas y organismos a resolver problemas concretos desde este enfoque. Ponte en contacto con nosotros para solicitar más información.