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• Karla Perez

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Estructura de los Materiales 2.4 MATERIALES ORGANICOS E INORGANICOS ORGANICOS

 Se les dice orgánicos cuando contienen algunas células vegetales o animales, no se disuelven en agua, no soportan altas temperaturas y solo se disuelven en líquidos orgánicos como son los alcoholes y los tetracloruros.  Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono y/o carbono-hidrogeno. En muchos casos contienen oxigeno, nitrógeno azufre fosforo, boro halógenos y otros.  Por su entidad molecular son generalmente materiales mas blandos e inestables que los inorgánicos.  La base de las estructuras organicas son el carbono y el hidrogeno, entre las estructuras mas representativas se encuentran:

metano

propileno

acetona

LOS POLIMEROS Los polímeros son moléculas grandes que a veces, se conocen como macromoléculas. La estructura de esas moléculas se deriva de la repetición unidades estructurales más pequeñas. LOS POLIMEROS ORGANICOS están compuestos principalmente de carbono por lo que es un elemento común en sus composiciones. Uno de los compuestos orgánicos mas simples es el metano CH4.las fuerzas cohesivas entre los átomos de hidrogeno y el carbono se deben al echo de que sus átomos comparten electrones, lo que permite completar la capa externa de valencia, tanto del carbono como del hidrogeno. La polimerización es la formación de moléculas grandes en otras mas pequeñas. En el caso de los polímeros cuya cadena tiene anillo de benceno, la posición de los enlaces con el anillo afecta las propiedades de la sustancia, por ejemplo el dacrón que es una sustancia muy solida, tenaz y flexible. TIPO DE POLIMEROS Los polímeros termoplásticos se componen al unir largas cadenas producidas al unir moléculas pequeñas o monómeros y típicamente se comportan de de manera plástica y dúctil, como el PVC, PET y el polietileno.

Los polímeros termoestables están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados , formando estructuras de redes tridimensionales como las siliconas y las baquelitas. Los elastómeros tienen una estructura intermedia , en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre las cadenas. Hablaremos de algunos materiales orgánicos como lo son el caucho, la madera, etc. -El caucho natural tiene propiedades termoplasticas y elastomericas. El caucho blanco vulcanizado tiende a perder su termo plasticidad, debido a esto se hace más elastomerito. LA ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS POLIMEROS La forma ideal de la cristalización de un polímero se muestra en la siguiente figura:

A continuación se muestra una imagen en la que se expresa el comportamiento de los polímeros al ser tratados por diferentes métodos.

INORGANICOS Las sustancias inorgánicas y no metálicas son, por lo común, estructuras cristalinas, en las que la disposición de los átomos es, en general, mucho más compleja que la de los metales. Un ejemplo claro de una sustancia inorgánica, es el cemento Pórtland, que se nombra común e incorrectamente como concreto, puesto que en realidad el cemento es solo un componente del concreto. Las propiedades del concreto de cemento Pórtland reflejan la selección y el proporcionamiento de los ingredientes que incluyen: cemento Pórtland, aditivo fino, aditivo grueso, agua.

La cristalización en los polímeros muy pocas veces es perfecta porque solo se dispone de débiles fuerzas de Van der Waals para alinear las moléculas, y muchos átomos deben ser acomodados en su posición correspondiente. ESTRUCTURAS REPRESENTATIVAS  MADERA = CELULOSA.  VIDRIO = 98% DIOXIDO DE SILICIO INORGANICO  SILICATO = CUARZO

2.5 MATERIALES CERAMICOS Estos consisten de fases que contienen compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Suelen clasificarse según sus funciones y propiedades en grupos como los de materiales cerámicos de óxidos puros, los refractarios, abrasivos, materiales de cimentación, etc. Como por ejemplo la alúmina (AL2O3) que contiene átomos metálicos y no metálicos. Los principales grupos en los que se dividen son: - materiales cerámicos cristalinos - materiales cerámicos no cristalinos - materiales cerámicos unidos a vidrios - cementos Los que consideramos en esta exposicion debido a que los temas anteriores los especifican, son los; Materiales cerámicos cristalinos. Estos son compuestos aislados (por ejemplo, MgO) o también pueden ser mezclas (como por ejemplo, MgO+Al2O3). Hay diversas estructuras entre los materiales cerámicos cristalinos. Por lo que respecta a los cristales, sus estructuras dependen de los átomos que las forman, y del tipo e intensidad de los enlaces, de este modo, concluimos que las estructuras están determinadas por las configuraciones electrónicas. Entre las estructuras más comunes y sencillas, la sal de roca cristaliza en la red cúbica simple que se muestra a continuación:

UNIDAD III PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se define como propiedad de un material a una característica mensurable capaz de calificar un comportamiento o una respuesta del mismo a solicitaciones externas, independientemente del tamaño y de la geometría del elemento considerado. Insensibles y Sensibles a la microestructura Las propiedades, están dadas en función de la misión que tiene que desempeñar el objeto que estamos diseñando. Estas propiedades se refieren a varios aspectos: Propiedades físicas. Propiedades mecánicas. Propiedades eléctricas Propiedades magnéticas. Propiedades ópticas

3.1PROPIEDADES ELECTRICAS Y MAGNETICAS 3.1.1PROPIEDADES ELECTRICAS Las propiedades eléctricas definen el comportamiento de los materiales frente a la corriente eléctrica. RESISTENCIA ELECTRICA La resistencia eléctrica mide el grado de oposición de un material a ser atravesado por la corriente eléctrica. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo. CONDUCTIVILIDAD ELECTRICA Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales. Según esta condición los materiales se clasifican en conductores, aislantes y semiconductores.

CONDUCTORES ELECTRICOS MATERIALES FERROSOS

• • • • •

MATERIALES NO FERROSOS

• • • • • •

COBRE ALUMINIO PLATA ORO COBRE TEMPLADO

VIDRIO MICA AGUA DE MAR AGUA POTABLE AGUA DESIONIZADA SALES

AISLANTES Son materiales con resistencia eléctrica alta. Se necesitan materiales aislantes cuando queremos evitar el paso o la circulación de corriente eléctrica, por ejemplo, la cubierta de un cable debe ser de material aislante así como la carcasa de un enchufe o las piezas que fijan los cables a las torres de transporte. EJEMPLOS DE AISLANTES Son buenos aislantes: • • • • • • • • • •

El vidrio Porcelana La madera El aire El plástico El nylon El neopreno La goma de silicona Los poliésteres La mica

3.1.2 PROPIEDADES MAGNETICAS MOMENTO MAGNETICO En física, el momento magnético de un elemento puntual es un vector que, en presencia de un campo magnético (inherentemente vectorial), se relaciona con el torque de alineación de ambos vectores en el punto en el que se sitúa el elemento . El vector de campo magnético a utilizarse es el B denominado como Inducción Magnética o Densidad de Flujo Magnético cuya magnitud es el Weber por metro cuadrado. MAGNETIZACION

La magnetización o imanación de un material es la densidad de momentos dipolares magnéticos . Se refiere al comportamiento de los materiales con respecto a campos magnéticos. Los imanes son objetos que generan un campo magnético que atrae a los metales; a esta fuerza de atracción la denominamos magnetismo. PROPIEDADES MAGNETICAS Tipo de Material

Características

No magnético

No facilita o permite el paso de las líneas de Campo magnético. Ejemplo: el Vacío.

Diamagnético

Material débilmente magnético. Si se sitúa una barra magnética cerca de él, esta lo repele. Ejemplo: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb), Agua.

Antiferromagnético

No magnético aun bajo acción de un campo magnético inducido. Ejemplo: Óxido de Manganeso (MnO2).

Paramagnético

Presenta un magnetismo significativo. Atraído por la barra magnética. Ejemplo: Aire, Aluminio (Al), Paladio (Pd), Magneto Molecular.

Ferromagnético

Magnético por excelencia o fuertemente magnético. Atraído por la barra magnética. Paramagnético por encima de la temperatura de Curie (La temperatura de Curie del hierro metálico es aproximadamente unos 770 °C). Ejemplo: Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni), Acero suave. Menor grado magnético que los materiales ferromagnéticos. Ejemplo: Ferrita de Hierro.

Ferrimagnético

Superparamagnético

Materiales ferromagnéticos suspendidos en una matriz dieléctrica. Ejemplo: Materiales utilizados en cintas de audio y video.

Ferritas

Ferrimagnético de baja conductividad eléctrica. Ejemplo: Utilizado como núcleo inductores para aplicaciones de corriente alterna.

MAGNETISMO TEMPORAL Es una forma muy débil de magnetismo que es no permanente y persiste solo mientras se aplique un campo externo. Es inducido por un cambio en el movimiento orbital de los electrones debido a un campo magnético aplicado. La magnitud del momento magnético inducido es extremadamente pequeña y en dirección opuesta al campo aplicado.

MAGNETISMO PERMANENTE Ciertos materiales poseen un momento magnético permanente en ausencia de un campo externo y manifiestan magnetizaciones muy largas y permanentes. Como lo son las características de algunos metales de transición Fe, Co y Ni y algunos elementos de tierras raras tales como el gadolinio (Gd).

3.2 PROPIEDADES TÉRMICAS DE MATERIALES Se refieren a aspectos relacionadas con los fenómenos físicos que afectan a los materiales, como el calor, o las dimensiones.

En la tabla que se muestra a continuación se indican los valores que toman las propiedades térmicas de materiales empleados en construcción, algunos de los cuales se utilizan como aislantes, y la de algunos elementos o sustancias de referencia.

PROPIEDADES TÉRMICAS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y AISLANTES Material

Densidad (kg/m3)

Calor específico (J/(kg·K))

Conductividad térmica (W/(m·K))

Difusividad térmica (m2/s) (x10-6)

Acero

7850

460

47-58

13,01-16,06

Agua

1000

4186

0,58

0,139

Aire

1,2

1000

0,026

21,67

Alpaca

8,72

398

29,1

8384,8

Aluminio

2700

909

209-232

85,16-94,53

Amianto

383-400

816

0,078-0,113

0,250-0,346

Arcilla refractaria

2000

879

0,46

0,261

Arena húmeda

1640

-

1,13

-

Arena seca

1400

795

0,33-0,58

0,296-0,521

Asfalto

2120

1700

0,74-0,76

0,205-0,211

Baldosas cerámicas

1750

-

0,81

-

Baquelita

1270

900

0,233

0,201

Bitumen asfáltico

1000

-

0,198

-

Bloques cerámicos

730

-

0,37

-

Bronce

8000

360

116-186

40,28-64,58

Carbón (antracita)

1370

1260

0,238

0,139

Cartón

-

-

0,14-0,35

-

Cemento (duro)

-

-

1,047

-

Cinc

7140

389

106-140

38,16-50,41

Cobre

8900

389

372-385

107,45-111,20

Corcho (expandido)

120

-

0,036

-

Corcho (tableros)

120

1880

0,042

0,186

Espuma de

40

1674

0,029

0,433

poliuretano Espuma de vidrio

100

-

0,047

-

Estaño

7400

251

64

34,46

Fibra de vidrio

220

795

0,035

0,200

Fundición

7500

-

55,8

-

Glicerina

1270

2430

0,29

0,094

Goma dura

1150

2009

0,163

0,070

Goma esponjosa

224

-

0,055

-

Granito

2750

837

3

1,303

Hierro

7870

473

72

19,34

Hormigón

2200

837

1,4

0,761

Hormigón de cascote

16001800

-

0,75-0,93

-

Láminas de fibra de madera

200

-

0,047

-

Ladrillo al cromo

3000

840

2,32

0,921

Ladrillo común

1800

840

0,8

0,529

Ladrillo de circonio

3600

-

2,44

-

Ladrillo de magnesita

2000

1130

2,68

1,186

Ladrillo de mampostería

1700

837

0,658

0,462

Ladrillo de sílice

1900

-

1,070

-

Lana de vidrio

100-200

670

0,036-0,040

0,537-0,299

Latón

8550

394

81-116

24,04-34,43

Linóleo

535

-

0,081

-

Litio

530

360

301,2

1578,61

Madera

840

1381

0,13

0,112

Madera de abedul

650

1884

0,142

0,116

Madera de alerce

650

1298

0,116

0,137

Madera de arce

750

1591

0,349

0,292

Madera de chopo

650

1340

0,152

0,175

Madera de fresno

750

1591

0,349

0,292

Madera de haya

800

1340

0,143

0,133

Madera de haya blanca

700

1340

0,143

0,152

Madera de pino

650

1298

0,163

0,193

Madera de pino blanco

550

1465

0,116

0,144

Madera de roble

850

2386

0,209

0,103

Mármol

2400

879

2,09

0,991

Mica

2900

-

0,523

-

Mortero de cal y cemento

1900

-

0,7

-

Mortero de cemento

2100

-

1,4

-

Mortero de vermiculita

300-650

-

0,14-0,26

-

Mortero de yeso

1000

-

0,76

-

Mortero para revoques

18002000

-

1,16

-

Níquel

8800

460

52,3

12,92

Oro

19330

130

308,2

122,65

Pizarra

2650

758

0,42

0,209

Placas de yeso

600-1200

-

0,29-0,58

-

Plata

10500

234

418

170,13

Plexiglás

1180

-

0,195

-

Plomo

11340

130

35

23,74

Poliestireno

1050

1200

0,157

0,125

Porcelana

2350

921

0,81

0,374

Serrín

215

-

0,071

-

Tierra de diatomeas

466

879

0,126

0,308

Tejas cerámicas

1650

-

0,76

-

Vermiculita expandida

100

837

0,07

0,836

Vermiculita suelta

150

837

0,08

0,637

Vidrio

2700

833

0,81

0,360

Yeso

1800

837

0,81

0,538

Donde: •

Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m3).

•

Calor específico (C): cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía.

•

Conductividad térmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC).

•

Difusividad térmica (α): caracteriza la rapidez con la que varía la temperatura del material ante una solicitud térmica, por ejemplo, ante una variación brusca de temperatura en la superficie. Se puede calcular mediante la siguiente expresión: α = k / (ρ · C)

(m2/s)

BIBLIOGRAFIA

 http://issuu.com/ralfyakutis/docs/propiedadestermicasdelosmateriales  

CIENCIA DE LOS MATERIALES PARA INGENIERIA. CARL A. KEYSER. EDITORIAL LUMUSA. MEXICO, 1982 LAWRENCE H. VLACK. MATERIALES PARA INGENIERIA. EDITORIAL CONTINENTAL.