Tension Y Esfuerzo Termico

TENSIÓN O ESFUERZO TÉRMICO

Introducción.

Las tensiones térmicas tienen lugar cuando existe una diferencia significativa de temperatura en un material dado. En ese momento, diferentes capas del material están sometidas a esfuerzos de dilatación diferentes. Tal diferencia se traduce en esfuerzos de cizallamientos. Debido a este tipo de tensiones el material puede llegar a deformarse o incluso fracturarse, una vez que se ha superado el límite de resistencia del material. El mismo fenómeno tiene lugar en un objeto compuesto de substancias con diferentes coeficientes de dilatación.

En determinadas situaciones las tensiones térmicas pueden ser aprovechadas, pero en la mayoría de los casos tienen un efecto negativo. A continuación se mencionan algunas aplicaciones de las tensiones térmicas.

Existen un cambio de las propiedades de los materiales cuando varia su temperatura, y son los parámetros K y α que son los que junto a una variación de temperatura (ΔT) conforman el esfuerzo térmico. [1]

Tensión Térmica.

Se denomina esfuerzo o tensión a la fuerza por unidad de área a la que se somete un sólido cuando se somete a una tracción o a una compresión. Un esfuerzo es térmico cuando varía la temperatura del material. Al presentarse un cambio de temperatura en un elemento, éste experimentará una deformación axial, denominada deformación térmica. Si la deformación es controlada, entonces no se presenta la deformación, pero si un esfuerzo, llamado esfuerzo térmico. [2]

Fig.1. Esfuerzo térmico.

(Fuente: Recuperado de http://goo.gl/nmOYuy) [6]

Existe un ejemplo claro, y es el diseño de los puentes los cuales la mayoría de ocasiones se los construyen con juntas de expansión, los mismo facilitan el movimiento térmico de la superficie de rodamiento y de esta manera evitar que exista variaciones de esfuerzos por los cambios que puedan existir de temperatura.

Ahora existe el caso en el que el material sea homogéneo e isotrópico, entonces presentamos la siguiente formula:

σ= K* α*ΔT [2]

Formula 1.

De donde tenemos que:

σ= Esfuerzo o Tensión Térmica,

K= Conductividad térmica del material,

α= Coeficiente lineal de dilatación térmica del material,

ΔT= Variación de temperatura. [2]

Conductividad Térmica (K).

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.

Difusividad Térmica (α).

La Difusividad suele representarse como la letra α (en algunas ocasiones también con la letra mayúscula D) y es un índice característico de un material. La expresión matemática que relaciona la conductividad térmica (expresada como ), el calor específico (expresado como Cp y denominado igualmente como capacidad de calor), y su densidad () es:

α=κ/ρCp

O dicho de otra forma, la difusividad térmica es directamente proporcional a la conductividad térmica de un material, e inversamente proporcional a su densidad y calor específico. El denominador (producto de la densidad por la capacidad calorífica) puede ser considerado como la capacidad calorífica volumétrica. Por regla general los metales tienen un coeficiente de difusión térmica mucho mayor que los materiales aislantes. De igual forma los gases poseen una difusión térmica casi nula por su baja conductividad y escasa densidad.

En cierta forma es una medida de la inercia térmica de un material.1 En un material con alta difusividad térmica el calor se propaga con rapidez y los cambios de temperatura se producen con dinámica elevada. Es por esta razón por la que aparece en uno de los términos de la ecuación del calor.

Variación de temperatura (ΔT).

También denominada cambio algebraico de la temperatura, debemos saber que este cambio de la temperatura se da a lo largo de la longitud del material es decir que ΔT =ΔT(x). [1]

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES (k)

Conductividad térmica

Material W/mºC BTU/h*ft*ºF

Metales:

Plata (pura)

Cobre (puro)

Aluminio (puro)

Níquel (puro)

Hierro (puro)

Acero al carbono, 1%C

Plomo (puro)

Acero cromo-níquel (18% Cr, 8% Ni)

410

385

202

93

73

43

35

16,3

237

223

117

54

...