Propiedades Térmicas de los Materiales Resistencia de los Materiales Instituto IACC 11 Diciembre 2017
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: Cobre 50 cms largo, 10 cms ancho, 3 cms espesor Temperatura ambiental 25ºC Coeficiente dilatación cobre 16,60 x 10-6 ºC Cobre punto de fusión 1083 ºC Cobre punto de ebullición 2565 ºC ΔT = Tf – Ti ΔT = 25ºC – 1083 ºC ΔT = - 1058 ºC lf – l0 = 16,6 x 10-6 * (-1058ºC) * l0 ºC lf – l0 = -0,0175628 l0
lf – l0 = -0,0175628 l0 = (1 – 0,0175628) l0 0,9824372 l0 = lf l0 =
lf = 0,9824372
50 cm = l0 = lf = 0,9824372
50 0,9824372
= l0 = 50,8938 cms
10 cm = l0 = lf = 0,9824372
10 0,9824372
= l0 = 10,1787 cms
3 cm = l0 =
3 = l0 = 3,0536 cms 0,9824372
lf = 0,9824372
Para obtener el molde deseado de 50 cm x10 cm x 3cm, se debe tener un molde con las siguientes dimensiones, 50,8938 cm x 10,1787 cm 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. b) NiO – 40% MgO. c) NiO – 80% MgO.
a) a 2400ºC sólo se encuentra la fase líquida al 100%, la composición es de 80% de Ni y 20% de MgO.
b) Se encuentran 2 fases, líquida y sólida, con fase líquida de 38% de Ni y 62% de MgO, y sólida de 60% Mgo y 40% de Ni %L= 62-60 = 2 = 0.08 x 100 = 8.3% Líquido 62-38 24 %S= 91,67%
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. - El cobre aparece vinculado en su mayor parte a minerales sulfurados, aunqu e también se lo encuentra asociado a minerales oxidados. Estos dos tipos de mineral requieren de procesos productivos diferentes, pero en ambos casos el punto de partida es el mismo: la extracción del material desde las minas a rajo abierto o subterráneas, lo que requiere la fragmentación y el transporte del material identificado por estudios geológicos realizados en la etapa previa de exploración. Posteriormente pasa al proceso de la fusión, que es lograr el cambio de estado que permite que el concentrado pase de estado sólido a estado líquido para que el cobre se separe de los otros elementos que componen el concentrado. En la fusión el concentrado de cobre es sometido a altas temperaturas (1.200 ºC) para lograr el cambio de estado de sólido a líquido. Al pasar al estado líquido, los elementos que componen los minerales presentes en el concentrado se separan según su peso, quedando los más livianos en la parte superior del fundido, mientras que el cobre, que es más pesado se concentra en la parte baja. De esta forma es posible separar ambas partes vaciándolas por vías distintas. - El proceso de fabricación de los envases de vidrio comienza cuando las materias primas son mezcladas y conducidas automáticamente al horno de fusión, a temperaturas próximas a los 1.000º centígrados. El vidrio destinado al acondicionamiento se compone de materias primas abundantes y naturales, 71% de arena, 14% de sosa procedente de carbonato sódico, 11% de cal procedente de carbonato de calcio, 4% de constituyentes varios, en especial colorantes. Los ingredientes se funden en un horno para obtener cristal líquido (entre 1.500 y 2.0000 C). El fuego lo mantiene caliente y fluido, Una vez fabricada la botella o tarro de vidrio, y aún a una temperatura elevada, es introducido en un túnel (archa) de recocido para evitar la formación de tensiones internas -debidas a un enfriamiento rápido- mediante tempe raturas controladas. Los
envases pasan por este túnel lentamente, recalentándose, y posteriormente son enfriados de una manera predeterminada. Así, el vidrio adquiere un mayor grado de resistencia. 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 sinterizado es un tratamiento a alta temperatura que ocasiona que las partículas se unan, reduciendo de manera gradual el espacio poroso entre ellas, el proceso de sinterización tiene que ver con la reducción del área superficial de las partículas de polvo. Además para que ocurra el proceso de sinterización es totalmente necesaria la etapa de difusión, esto es para que el material proveniente en polvo, se pueda unir y así formar la pieza a fabricar y manufacturar, en caso contrario, no se efectuaría la unión entre las partículas y por ende no se trasladarían de un lugar a otro. Las propiedades en los materiales se ven afectados con el comportamiento de la temperatura y 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/cm 3 . En condiciones estacionarias se ha encontrado que, al otro lado de la lámina de hierro, la concentración de nitrógeno es de 0,2 g/cm 3. 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:
= − Δ ⇒ = − − ⇒ − Δ = − (0.23 2) (10 g/cm3 − 0,2 g/cm3) s 0.1 cm = 22,54
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Bibliografía [IACC (2017). Propiedades térmicas de los materiales. Resistencia de los Materiales. Semana 4 .]
