Esfuerzos Térmicos En la mayoría de los sólidos el principal modo de asimilación de energía térmica es por el incremento de energía Vibracional de los átomos. Los átomos en los materiales sólidos están vibrando continuamente a muy alta frecuencia y con relativamente pequeñas amplitudes. Las vibraciones de átomos adyacentes son acopladas en virtud de los enlaces atómicos. Esas vibraciones son coordinadas de tal forma que se producen ondas que viajan en la red. Estas ondas pueden compararse con ondas elásticas ó con ondas sonoras, con pequeñas longitud de onda y alta frecuencia, la cual se propaga a través de un cristal a la velocidad del sonido. La energía térmica Vibracional para un material consiste en una serie de esas ondas elásticas las cuales tienen un rango de distribuciones y frecuencias. Solo ciertos valores de energía son permitidos (cuantiados) y un quantum simple de energía Vibracional es llamado un FONON. Dependencia de la Temperatura con la capacidad calórica: La variación con la temperatura de la contribución Vibracional de la capacidad calórica a volumen constante para muchos sólidos cristalinos simples se muestra en la figura 1
El Cv es cero a 0°K pero crece rápidamente con la temperatura. Esto corresponde a una habilidad incrementada de las ondas de la red para incrementar su energía promedio con el ascenso de la Temperatura. Por encima de la llamada temperatura de Debye èD, Cv se nivela y se vuelve esencialmente independiente de la temperatura hasta aproximadamente un valor de 3R, siendo R la constante de gases, por lo tanto aun cuando la energía total de un material se incrementa con la temperatura, la cantidad de energía necesaria para producir un cambio de grado de temperatura es constante.
Conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Origen molecular de la conductividad Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su movimiento. La conducción de calor que a nivel macroscópico puede modelizarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que si ocurren en el segundo mecanismo. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general sólo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.
Conductividades térmicas de los materiales La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado. En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto« El coeficiente de conductividad térmica () caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos
caras. La conductividad térmica se expresa en unidades de W/(m·K) (J/(s· m· °C)). Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.
Deformaciones
elástica y plástica
Tanto para la deformación unitaria como para el tensor deformación se puede descomponer el valor de la deformación en: Deformación (visco) plástica irreversible. Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible. Deformación elástica reversible El cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios termodinámicos reversibles. Comúnmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que sufren grandes elongaciones cuando se les aplica una fuerza, como la goma elástica que puede estirarse sin dificultad recuperando su longitud original una vez que desaparece la carga. Este comportamiento, sin embargo, no es exclusivo de estos materiales, de modo que los metales y aleaciones de aplicación técnica, piedras, hormigones y maderas empleados en construcción y, en general, cualquier material, presenta este comportamiento hasta un cierto valor de la fuerza aplicada; si bien en los casos apuntados las deformaciones son pequeñas, al retirar la carga desaparecen. Al valor máximo de la fuerza aplicada sobre un objeto para que su deformación sea elástica se le denomina límite elástico y es de gran importancia en el diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones es éste y no el de la rotura, el que se adopta como variable de diseño (particularmente en mecanismos). Una vez superado el límite elástico aparecen deformaciones plásticas (remanentes tras retirar la carga) comprometiendo la funcionalidad de ciertos elementos mecánicos.