PROPIEDADES TERMODINÁMICAS (problemas de aplicación y ejemplos).

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1. INTRODUCCIÓN:
Algunas aplicaciones industriales importantes requieren la utilización de materiales con
propiedadestérmicas específicas, imprescindibles para el correcto funcionamiento del dispositivo
o equipo en cuestión-
La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta prácticamente todas
las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas sufren
importantes cambios cuando la temperatura varia, por lo que los efectos térmicos sobre estas
propiedades deberán tenerse en cuenta siempre a la hora de dimensionar o seleccionar el
material idóneo.
En efecto, cuando un solidado revive energía en forma de calor, el material absorbe calor, lo
transmite y se expande. Estos tres fenómenos dependen respectivamente de tres propiedades
características del material; La capacidad calorífica o su equivalente calor específico, de su
conductividad térmica y de su coeficiente de dilatación. Analizaremos por separado cada uno de
ellos entre otros añadidos que tienen igual importancia.
2. DESARROLLO:
2.1 SOLDABILIDAD DE LOS MATERIALES
La Soldabilidad es la capacidad que tienen los materiales, de la misma o diferente naturaleza para ser unidos de
manera permanente mediante procesos de soldadura, sin presentar transformaciones estructurales perjudiciales,
tensiones o deformaciones que puedan ocasionar alabeos. La Soldabilidad de un material constituye una propiedad
del mismo muy compleja y en muchas ocasiones queda condicionada a variaciones metalúrgicas y sus propiedades.
Tipos de soldabilidad:
Un material se considera soldable, por un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando
mediante una técnica adecuada se puede conseguir una soldadura sana de tal forma que cumpla con las exigencias
prescrita.
 Soldabilidad Operatoria: que asegura la continuidad metálica de las partes que une.
 Soldabilidad Metalúrgica: que tenga las características químicas y mecánicas previstas.
 Soldabilidad Constructiva: que el comportamiento global de la de la estructura soldada que no tengan riesgos de
figuración, ni de rotura frágil.
Tipos de soldadura
 Soldadura por gas: utiliza el calor de la combustión de un gas o una mezcla gaseosa, que se aplica a las
superficies de las piezas y a la varilla de metal de aportación.
 Soldadura por arco: Los procedimientos de soldadura por arco son los más utilizados, sobre todo para soldar
acero, y requieren el uso de corriente eléctrica.
 Soldadura por arco con electrodo recubierto: En este tipo de soldadura el electrodo metálico, que es conductor
de electricidad, está recubierto de fundente y conectado a la fuente de corriente.
 Soldadura por arco con protección gaseosa: Es la que utiliza un gas para proteger la fusión del aire de la
atmósfera. Según la naturaleza del gas utilizado se distingue entre soldadura MIG, si utiliza gas inerte, y
soldadura MAG, si utiliza un gas activo.

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 Soldadura por arco con fundente en polvo: Este procedimiento, en vez de utilizar un gas o el recubrimiento
fundente del electrodo para proteger la unión del aire, usa un baño de material fundente en polvo donde se
sumergen las piezas a soldar.
 Soldadura aluminotermica: El calor necesario para este tipo de soldadura se obtiene de la reacción química de
una mezcla de óxido de hierro con partículas de aluminio muy finas.
 Soldadura por presión: Este método agrupa todos los procesos de soldadura en los que se aplica presión sin
aportación de metales para realizar la unión.
 Soldadura por resistencia: Este tipo de soldadura se realiza por el calentamiento que experimentan los metales
debido a su resistencia al flujo de una corriente eléctrica
En un proceso de soldeo por fusión se pueden distinguir tres zonas claras en la unión soldada:
- Metal de soldadura.
- ZAT.
- Metal base.
Zona afectada térmicamente (ZAT), es la zona adyacente a la soldadura que se calienta en gran medida y se ve
afectada por el calor, pero que no funde. Esta zona sufre cambios metalúrgicos y cambios en sus características
mecánicas, pudiendo ser muy propensa a desarrollar grietas o condiciones desfavorables. En general es deseable
una ZAT estrecha.
Durante un proceso de soldeo es el calor aportado para realizar la soldadura.
El aporte térmico depende de:
 Tensión e intensidad de soldeo, siendo mayor el aporte térmico cuantos mayores son estas variables.
 La velocidad de soldeo, cuanto menor es la velocidad mayor será la energía aportada.
 El rendimiento térmico. El calor generado por la fuente de energía no es utilizado en su totalidad para realizar
la soldadura, parte se pierde durante el soldeo calentando el aire, gases circundantes y los productos fundentes.
Cuanto mayor es los rendimientos térmicos menores son las pérdidas de calor y cuanto mayor sea el
rendimiento del proceso mayor será la energía neta aportada a la unión a soldar.
Rendimientos térmicos según los procesos de soldeo Procesos de soldeo
Ejemplo de la influencia de la técnica operatoria en el aporte térmico:

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2.2 DILUCIÓN
Dilución es la proporción en la que el metal base, o de soldadura previamente depositada, participa, a través de su
propia fusión, en la composición química de la zona fundida. Es el porcentaje de metal base fundido e incorporado a
la soldadura. En otras palabras, es el peso con que el metal base contribuye a la composición del cordón. La dilución
influye, naturalmente, en la composición química del cordón de soldadura y puede calcularse para predecir el
contenido de cualquier elemento en el mismo.
Precalentamiento: Hay materiales con problemas de soldabilidad que requieren un calentamiento previo al soldeo.
Los objetivos del precalentamiento son:
 Reducir la velocidad de enfriamiento de las piezas.
 Disminuir las pérdidas de calor en aquellos materiales muy conductores del calor como el cobre o el aluminio
(y sus aleaciones), de esta forma se consiguen más fácilmente baños de fusión adecuados.
Con el precalentamiento también se consigue eliminar la humedad que pudieran tener los materiales a soldar.
Tratamiento térmico post soldeo: Consiste en calentar las piezas hasta una cierta temperatura y enfriarlas según
se especifique.
Los objetivos del tratamiento térmico post soldeo son:
• Reducir el nivel de tensiones residuales que se han podido producir durante el soldeo, en este caso se suele
denominar tratamiento de alivio de tensiones y suele consistir en calentamiento y enfriamiento lento.
• Mejorar alguna propiedad o característica de la soldadura o de la ZAT que haya podido quedar afectada durante el
soldeo.
Acero al carbono:
El principal problema es que se produzca el templado de la zona fundida o en la ZAT, generando endurecimiento y
pérdida de tenacidad, por tanto posibilidad de producción de grietas.
La soldabilidad de los aceros es tanto peor cuanto:
 Mayor sea el contenido de Carbono y elementos de aleación.
 Mayor sea la velocidad de enfriamiento de la pieza.
Aceros inoxidables:
La soldabilidad de los aceros inoxidables auténticos, en general, es buena. Los aceros inoxidables austeníticos tienen
un coeficiente de dilatación de un 50% más elevado que el acero al carbono. Y una conductividad térmica del 40%
inferior, por eso se genera una ZAT más estrecha.

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Aluminio:
Para realizar soldaduras sanas en aluminio, hay que fijarse en los siguientes factores:
 Temperatura de fusión.- El aluminio puro funde a 600ºC, pero al no cambiar de color es fácil perforarlo.
 Conductividad Térmica.- Tres veces más rápido que el acero, normalmente se necesita precalentamiento.
 Dilatación Térmica.- Dos veces más que el acero, problemas de tensiones internas y deformaciones.
 Óxido de Aluminio.- Alúmina, se forma al contacto con el aire, funde unos 1500ºC por encima que el aluminio.
Es imprescindible eliminar la capa de óxido.
2.3 RESISTENCIA TÉRMICA
La resistencia térmica de un material representa la capacidad del material de oponerse al flujo del calor. En el caso
de materiales homogéneos es la razón entre el espesor y la conductividad térmica del material; en materiales no
homogéneos la resistencia es el inverso de la conductancia térmica.
Resistencia térmica de una capa de material:
La resistencia al paso del calor de un elemento discreto formado por una capa de material homogéneo y caras plano
paralelas separadas un espesor e, es igual.
En metro cuadrado y kelvin por vatio.
Donde es el espesor de la capa (m) y (lambda) la conductividad térmica del material, W/(K·m).
Cuando el elemento no es homogéneo, pero su heterogeneidad se distribuye uniformemente, como por ejemplo, un
muro de ladrillo con juntas de mortero de cemento, se obtiene en laboratorio un útil (coeficiente de conductividad),
media ponderada de los coeficientes de cada material, y puede aplicarse a la fórmula anterior.
El valor de la resistencia es el inverso de la conductancia (C):
Elemento formado por varias capas:
La resistencia térmica de un elemento formado por varias capas, cada uno de ellas de material homogéneo, es igual
a la suma de las resistencias de cada una de las capas:
Resistencia térmica superficial:
Al pasar el calor de un fluido a un elemento sólido (en general, del aire ambiente a un elemento constructivo) se
produce una resistencia a este paso, que varía con la velocidad del fluido (velocidad del aire), rugosidad de la
superficie, etc. y que se llama resistencia superficial. Tiene la misma ecuación dimensional que las resistencias de los
elementos constructivos.

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Resistencia térmica total:
Cuando el elemento descrito está en una situación real, con aire ambiente en sus dos caras, se define la resistencia
térmica total Rt es la suma de la resistencia térmica del elemento constructivo más las resistencias térmicas
superficiales; es la inversa de la transmitancia (U), o coeficiente de transmisión de calor de un elemento (K). Se verifica
que:
O, en el caso de que se quiera estudiar un elemento de varias capas:
En ambos casos se miden en m2·K·W-1
2.4 DILATACIÓN TÉRMICA
La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen cuando se aumenta su temperatura.
Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos
casos de contracción térmica. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos
distinguir tres casos:
1. Dilatación lineal.- Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que
se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras...
La dilatación lineal de un cuerpo viene dada por la expresión:
Donde:
 l, l0 : Longitud final e inicial respectivamente del cuerpo. ( m )
 λ: Coeficiente de dilatación lineal.
 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. ( K )

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2. Dilatación superficial.- Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una
tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas. La dilatación superficial de
Un cuerpo viene dada por la expresión:
Donde:
 S0 : Área final e inicial respectivamente del cuerpo. ( m2 )
 σ: Coeficiente de dilatación superficial. K-1
 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. ( K )
La relación entre el coeficiente de dilatación lineal λ y el coeficiente de dilatación superficial σ es σ=2⋅λ .
3.- Dilatación volumétrica o cúbica.- Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente
relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de
los jardines.
La dilatación volumétrica de un cuerpo viene dada por la expresión:
Donde:
 V0 : Volumen final e inicial respectivamente del cuerpo. ( m3 )
 γ: Coeficiente de dilatación volumétrica o cúbica. (K-1)
 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. ( K )
La relación entre el coeficiente de dilatación lineal λ y el coeficiente de dilatación volumétrico γ es γ=3⋅λ

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Ejemplo:
Disponemos de un cubo de un material a 24 ºC que ocupa un volumen de 1 m3 . Cuando aumentamos la temperatura
a 55 ºC, el volumen del cubo pasa a 1.002232 m3 . Responde a las siguientes preguntas:
 ¿Cuál es el coeficiente de dilatación cúbica del material?
 Imagina que, a 24 ºC, cortas varias barras de 1 m de longitud (valor de la arista del cubo). ¿Qué longitud pasarían
a tener cuando se eleva temperatura a 55 ºC?
Valores del coeficiente de dilatación lineal:
Algunos coeficientes de dilatación, que son constantes cuando el cambio de temperatura es menor que 100°C:

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APLICACIONES DENTRO DEL DISEÑO INDUSTRIAL
El efecto de sobretensión por dilatación térmica de los carriles soldados de las
vías del ferrocarril causó 190 descarrilamientos de trenes entre 1998–2002
solamente en los Estados Unidos.
El conocimiento del coeficiente de dilatación lineal adquiere una gran importancia
técnica en muchas áreas tanto del diseño industrial como de la construcción de
grandes estructuras.
Lineal.- Un buen ejemplo son los rieles del ferrocarril; estos van soldados unos con otros, por lo que pueden llegar a
tener una longitud de varios centenares de metros. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea se desplazaría por
efecto de la dilatación, deformando completamente el trazado. Para minimizar este efecto, se estira el carril
artificialmente mediante gatos hidráulicos, produciendo una dilatación equivalente a la dilatación natural que se
produciría por dilatación térmica hasta alcanzar la temperatura media, y se corta el sobrante, para volver a soldarlo.
A este proceso se le conoce como neutralización de tensiones.
Superficial.- La dilatación superficial de los metales se usa ampliamente en la industria como switch o como
interruptores de emergencia y controladores... Por ejemplo en los interruptores que se usan en los paneles eléctricos
de tu casa, internamente llevan un pequeño trozo de metal que al calentarse, bien sea poe un corto circuito o un
excesivo consumo de corriente por parte de algún aparato, hace que el interruptor se dispare o lo que es lo mismo,
se abra. Con esto se logra un cierto grado de protección de sobrecarga.
Volumétrica.- EL funcionamiento está basado en el coeficiente cubico de dilatación (ó volumétrico), el cual es
conocido para el mercurio y es bastante estable con el cambio de temperatura. Por lo tanto, conocido cuanto varia el
volumen del mercurio por cada grado de incremento de temperatura, se puede emplear este principio para medir
temperatura. En el termómetro, lo que se hace es que el volumen de mercurio solo pueda variar (o expandirse) en
una sola dimensión, la lineal, las otras dos dimensiones están fijadas por la geometría del termómetro.
- Para ajustar las llantas metálicas de las antiguas ruedas de los carro y carruajes, se calentaba el aro metálico se
dilataba y luego se los coloca sobre la rueda, al terminar el calentamiento el aro metálico se juntaba fuertemente sobre
la rueda.
-Los cubos de hielo, el agua tiene como propiedad dilatarse cuando baja su temperatura, los cubos de hielo tiene
más volumen que el agua que ingresamos en las cubiteras.
2.5 CONDUCTIVIDAD TERMICA
La Conductividad Térmica (λ con unidades W/ (m•K) describe el transporte de energía – en forma de calor – a
través de un cuerpo con masa como resultado de un gradiente de temperatura . De acuerdo con la segunda ley de
la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja. La relación entre el calor
transportado por unidad de tiempo (dQ/dt o flujo de calor Q) y el gradiente de temperatura (ΔT/Δx) a través de un
área A (el área a través de la cual el calor fluye perpendicularmente a un ritmo estacionario) está descrita por la
ecuación de la conductividad térmica.

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La Conductividad Térmica es, por consiguiente, una propiedad específica de cada material usada para caracterizar el
transporte de calor en ritmo estacionario. Se puede calcular usando la siguiente ecuación:
Donde
: Difusividad térmica
: Capacidad Calorífica Específica
: Densidad
Ejemplo:
Una chimenea de hormigón armado con diámetro interior D2 = 800 mm, diámetro exterior D3 = 1300 mm, debe ser
revestida por dentro con refractario. Determinar el espesor del revestimiento y la temperatura T3 de la superficie
exterior de la chimenea, partiendo de la condición de que las pérdidas de calos de un metro de la chimenea no
excedan de 2000 W/m, y de que la temperatura T2 de la superficie interior de la pared de hormigón armado no supere
200 °C. La temperatura de la superficie interior del revestimiento es de T1= 425 °C; el coeficiente de conductividad
térmica de revestimiento es K1 = 0.5 W/m°C; el coeficiente de conductividad térmica del hormigón es K2 = 1.1 W/m°C.

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2.6 FUSIBILIDAD
Capacidad de un material para fundirse, pasar de sólido a líquido o viceversa. Viene
determinada por el punto de fusión, que describe la temperatura en la cual llega a
fundir.
Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas.
Materiales como la soldadura requieren un bajo punto de fusión de forma que cuando
el calor es aplicado a la misma, ella se derrita antes que los otros materiales siendo
soldados (siendo esto una alta fusibilidad).
Por otra parte, existen otros materiales que son utilizados en instrumentos (como
algunos hornos especiales) que se les aprovecha su baja fusibilidad. Los materiales
que sólo se derriten a temperaturas muy altas se les llaman materiales refractarios.
2.7 TEMPERATURA DE FUSION
Temperatura necesaria para la ocurrencia del cambio de estado sólido al líquido en
una sustancia, cada sustancia ya sea pura o no posee un valor de temperatura de
fusión propio.
La Temperatura de fusión se define como la temperatura a la que se produce la
transición de fase del estado sólido al líquido a presión atmosférica normal; esta
temperatura corresponde idealmente a la temperatura de congelación. Dado que la
transición de fase de numerosas sustancias se extiende en una amplia gama de
temperaturas, ésta se designa muchas veces con el nombre de intervalo de fusión.
Conversión de las unidades (K a °C)
t = T - 273,15
t = temperatura Celsius, grado Celsius (°C)
T = temperatura termodinámica, Kelvin (K)
PUNTO DE FUSIÓN:
El punto de fusión es la temperatura a la cual se encuentran cristales de disolvente puro en equilibrio con la solución.
El punto de fusión para una solución es menor que el del disolvente puro. Esta disminución es directamente
proporcional a la molalidad de la solución:
Donde:
=Tfº - Tf = disminución de la temperatura de fusión (ºC ó K).
= constante crioscópica (kg K/mol).
= molalidad ó molaridad de la solución (mol/kg ó mol/l).

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2.8 TEMPERATURA DE VAPORIZACION:
Se llama temperatura o punto de vaporización a la temperatura mínima necesaria para que un combustible comience
a generar vapores inflamables.
En los líquidos no inflamables es la temperatura a la que esos líquidos pasan a ser vapor.
El calor necesario para alcanzar la temperatura de vaporización sigue la fórmula:
Donde C es el calor específico de la sustancia en estado líquido. M masa de sustancia.
APLICACIONES INDUSTRIALES Y EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA:
Vista como una operación unitaria, la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de
una solución o suspensión líquida para así obtener una solución concentrada. Se puede hacer por calentamiento o
a presión reducida. En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere a la
eliminación de agua de una solución acuosa.
La evaporación en vacío es usada en la industria alimentaria para la conservación de alimentos, y en otras industrias,
para el recubrimiento de diversos materiales.
La vaporización es el nombre que recibe el proceso en el cual un fluido pasa del estado líquido al gaseoso, es decir,
como consecuencia de la acción del calor sobre el líquido en cuestión es que el líquido asumirá el estado de gaseoso.
Existen dos tipos de vaporización, la ebullición y la evaporación.
2.9 CALOR ESPECÍFICO
Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de un elemento o
compuesto en un grado. En el sistema internacional sus unidades serán por tanto J·kg-1·K-1.
El calor específico del agua es de 4180 J·kg-1·K-1.
Teniendo en cuenta esta definición de calor específico propio de un cuerpo o un sistema Ce podemos deducir que
el calor absorbido o cedido por un cuerpo de masa m cuando su temperatura varía desde una temperatura T1 hasta
otra T2 (ΔT = T2 - T1) vendrá dado por la expresión:
Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se produce un flujo de calor desde el
que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura hasta que ambas temperaturas se igualan.
UNIDADES DE CALOR ESPECÍFICO:
En el Sistema Internacional de Unidades:
El calor específico se expresa en joule por kilogramo y por kelvin (J·kg−1·K−1); otra unidad, no perteneciente al SI,
es la caloría por gramo y por kelvin (cal·g−1·K−1).

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Así, el calor específico del agua es aproximadamente 1 cal/(g·K) en un amplio intervalo de temperaturas, a la presión
atmosférica; y exactamente 1 cal·g−1·K−1 en el intervalo de 14,5 °C a 15,5 °C (por la definición de la unidad caloría).
La BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una
libra de agua en condiciones atmosféricas normales.
APLICACIONES DEL CALOR ESPECÍFICO A LA INGENIERIA:
Algunas aplicaciones de la obtención del calor especifico es por ejemplo la fabricación de un termo en donde se
guardan distintos líquidos como el café, la fabricación de materiales térmicos para aislar la temperatura de un horno
por ejemplo o el aislante térmico de una casa, da información acerca de muchos materiales como los metales para
determinar su transmisión de calor y así obtener resultados óptimos de pérdida o adquisición de calor.
3. CONCLUSIÓN:
Luego de desarrollar este documento se llegó a la conclusión de que es de suma importancia
conocer las propiedades o características termodinámicas que poseen los diferentes
materiales que existen en nuestro entorno industrial. Este es un abrebocas de lo extenso de
esta ciencia así que es de suma importancia instruirnos por nuestros medios con el fin de
llegar a tener un conocimiento sólido para reproducirlo en el ambiente industrial.
4. BIBLIOGRAFIA:
 https://es.scribd.com/doc/215613920/4-Soldabilidad-de-Los-Materiales#
 https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_t%C3%A9rmica
 http://cambiosporcalorequipo1.blogspot.com/2012/11/1213-dilatacion-volumetrica.html
 https://www.fisicalab.com/apartado/dilatacion-termica#contenidos
 https://www.netzsch-thermal-analysis.com/es/landing-pages/definicion-de-conductividad-termica/
 https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico
 http://www.ecured.cu/Temperatura_de_Fusi%C3%B3n