Propiedades térmicas de los materiales Resistencia de los materiales Instituto IACC
Desarrollo 1) Se requiere elaborar una pieza moldeada de cobre que tenga las siguientes
dimensiones finales: 50 cm de largo x 10 cm de ancho x 3 cm de espesor a temperatura ambiente de 25 °C. Entonces, ¿cuáles deben ser las dimensiones del molde a utilizar con el fin de obtener la pieza deseada? * Utilice los valores dados en las siguientes tablas:
Datos: Coeficiente dilatación térmica del cobre (α cu)= 16,60 x 10 -6 / °C Variación de temperatura (ΔT)= T f - Ti= 25 °C-1083 °C = -1058 °C
El cambio de cualquier dimensión está dado por: Δl = l f – li = αcu * ΔT * lo
Para obtener la dimensión final (l f ) deseada, la longitud del molde (l 0) debe ser:
− 1 6, 6 0∗ 10 = ° ∗ 1058° ∗ = 0,0175628 = 0,0175628 = (1 0,0175628) ⇒ 0,9824372 = = 0,9824372
Por lo tanto, para la dimensión final de 50 cm la longitud del molde debe ser:
= 50 ⇒ = 50,8938 = 0,9824372 0,9824372
Por lo tanto, para la dimensión final de 10 cm la longitud del molde debe ser:
= 10 ⇒ = 10,1788 = 0,9824372 0,9824372
Por lo tanto, para la dimensión final de 3 cm la longitud del molde debe ser:
= 3 ⇒ = 3,0536 = 0,9824372 0,9824372
Entonces, para obtener la pieza deseada con dimensiones de 50 x 10 x 3 cm el molde debe tener las dimensiones: 50,8938 x 10,1788 x 3,0536 cm.
2) A partir del diagrama de fases de la cerámica NiO- MgO que se muestra a
continuación, determine: las fases presentes, la composición de cada fase y la cantidad de cada fase en (%) para las siguientes cerámicas a 2.400 °C:
a) NiO – 20% MgO:
A 2400 °C la aleación se encuentra en fase líquida, ya que su composición es de 20% MgO y el porcentaje restante 80% NiO
b) NiO – 40% MgO:
En este punto se encuentra en dos fases, siguiendo la línea de temperatura hacia la curva solidus se tiene una composición de 62% MgO y al seguir la curva de liquidus se tiene una composición de 36% MgO, de forma que la fase solida tiene una composición de 62% MgO y la fase líquida 36% MgO.
c) NiO – 80% MgO.
A 2400 °C la aleación se encuentra en fase sólida, ya que su composición es 80% MgO y el restante 20% NiO.
3) Dé dos ejemplos de aplicaciones industriales en donde se empleen los cambios de
fase de los materiales. Explique cuáles son los cambios de fase relevantes para esa aplicación e indique la razón para su uso.
Un ejemplo claro de cambio de fase en aplicaciones industriales es en la elaboración de piezas de cobre, ya que el cobre se encuentra en estado sólido y por medio del aumento de su temperatura, en hornos especiales, se funde cambiando su fase de sólida a líquida, este líquido se dispone en moldes para posteriormente ser enfriado y volverlo a su fase sólida inicial. La razón de su cambio de fase es para poder darle la forma deseada para ser usada posteriormente. Otro ejemplo es en el proceso de fabricación del vidrio, el cual es una mezcla de materiales en fase sólida (arena sílice, carbonato de sodio, oxido de calcio, entre otros), los cuales son calentados en hornos para aumentar su temperatura hasta el punto que su fase cambia a líquida, la razón de este cambio de fase es para poder moldear diferentes tipos de envases, como frascos o botellas, los cuales al ser enfriados retoman su fase sólida. 4) ¿Sería posible el proceso de sinterización sin que ocurra difusión de los átomos?
Argumente adecuadamente su respuesta. Y ¿qué propiedades de los materiales se ven afectadas por el proceso de sinterización?
El proceso de sinterización es un tratamiento a elevada temperatura, el cual genera que el material, dispuesto en partículas se pueda unir, reduciendo el espacio poroso entre ellas, para poder formar una pieza, para que este proceso ocurra es absolutamente necesaria la etapa de difusión, ya que si no ocurre la difusión, no se genera la unión de partículas y por lo tanto no se trasladarían de un lugar a otro. Las propiedades de los materiales que se ven afectadas por el proceso de sinterización son la temperatura y la dureza.
5) En un intercambiador de calor se ha utilizado una lámina de aleación de hierro con
estructura FCC de 1 mm de espesor, para contener una mezcla de gases con una concentración de nitrógeno de 10 g/cm3. En condiciones estacionarias se ha encontrado que, al otro lado de la lámina de hierro, la concentración de nitrógeno es de 0,2 g/cm3. Calcule la velocidad de difusión del nitrógeno (flujo
J )
a través de la lámina si la
temperatura de operación del intercambiador es de 1.200 °C.
Utilice los datos de la siguiente tabla:
= ⇒ = (10 0,2)/ = 0,23 0,1 = 22,54 ∗ La velocidad de difusión del nitrógeno a través de la lámina a una temperatura de 1.200 °C es de 22,54 g/cm 2*s
Bibliografía
IACC (2017). Propiedades térmicas de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 4.
