Thermal expansion, ( Termodinámica ) dilatación térmica

THERMAL EXPANSION

The thermal expansion of materials can have several significant effects. Generally the coefficient of thermal expansion is inversely proportional to the melting point of the material. Alloying elements have a relatively minor effect on the thermal expansion of metals.

Shrink fits utilize thermal expansion and contraction. A part with a hole in it that is to be installed over a shaft such as a flange or a lever arm is heated and then it is slipped over a cool shaft or spindle. When it is later allowed to cool the part shrinks and the assembly becomes effectively integral.

Other examples in which relative expansion or contraction is important are electronic and computer components glass-to-metal seals struts on jet engines and moving parts in machinery that require certain  clearances for proper functioning. The use of ceramic components in cast-iron engines also requires consideration of their relative expansions.

Improper selection of materials and assembly can cause thermal stresses and resultant cracking, warping or loosening of components in the structure during their service life. Thermal conductivity in conjunction with thermal expansion is what plays the most significant role in causing thermal stresses both in manufactured components and in tools and dies. This consideration is particularly important in for example a forging operation during which hot workpieces are consecutively  placed over a relatively cool die making the die surfaces undergo thermal cycling. To reduce termal stresses a combination of high thermal conductivity and low thermal expansion is desirable.

Thermal stresses can lead to cracks in ceramic parts and in tools and dies made of relatively brittle materials. Thermal fatigue results from thermal cycling and causes a number of surface cracks especially in tools and dies for casting and metalworking operations ( heat checking ). Thermal shock is the term generally used to describe development of cracks after a single thermal cycle. Thermal stresses may be caused both by temperature gradients and by anisotropy of thermal expansion which we generally observe in hexagonal close-packed metals and in ceramics.
To alleviate some of the problems with thermal expansion a family of iron-nickel alloys with very low thermal-expansion coefficients has been developed, they are called low-expansion alloys.
The low thermal expansion characteristic of these alloys is often referred to as the Invar effect. The thermal coefficient of expansion is typically in the range of from 2 X 10^-6 to 9 X 10^-6 per °C. Invar itself typically has a composition of 64% iron and 36% nickel, other materials involve iron-nickel-cobalt alloys.

These alloys also have good thermal-fatigue resistance and good ductility as a result they can easily be formed into various shapes. Applications include (a) bimetallic strips consisting of a low-expansion alloy, metallurgically bonded to a high-expansion alloy, the strip bends when subjected to temperature changes and (b) high-quality glass-to-metal seals in which the thermal expansions are matched .

DILATACIÓN TÉRMICA

La dilatación térmica de los materiales puede tener varios efectos significativos. Por lo general, el coeficiente de dilatación térmica es inversamente proporcional al punto de fusión del material. Los elementos de aleación tienen un efecto relativamente menor en la dilatación térmica de los metales.

Los ajustes por contracción utilizan la dilatación y contracción térmica . Una pieza con una perforación, como por ejemplo, una brida o un brazo de palanca, que debe ser montada sobre una flecha, es calentada y después se le desliza sobre la flecha o husillo fríos. Cuando posteriormente se le deja enfriar, la pieza se encoge y el ensamble se hace efectivamente integral.
Otros ejemplos en los cuales la dilatación o contracción relativa son de importancia son los componentes electrónicos y de computadora, los sellos de vidrio a metal, los soportes de sujeción en los motores de propulsión a chorro y las partes móviles de maquinaria, que requieren de ciertas tolerancias para un funcionamiento adecuado. El uso de componentes cerámicos en motores de hierro fundido también requiere tomar en consideración las dilataciones relativas.

Una selección inadecuada de materiales y ensamble puede causar esfuerzos térmicos y el agrietamiento, doblez o aflojamiento resultante de los componentes en la estructura durante su vida de servicio. La conductividad térmica, en conjunción con la dilatación térmica, es lo que juega un papel de mayor significado en la generación de esfuerzos térmicos, tanto en componentes manufacturados como en herramientas y dados.

Esta consideración es particularmente importante en, por ejemplo, una operación de forja, durante la cual las piezas de trabajo calientes son colocadas de manera consecutiva sobre un dado relativamente frío haciendo que las superficies del dado sufran un ciclado térmico. Para reducir los esfuerzos térmicos, es deseable una combinación de una elevada conductividad térmica y de una baja dilatación térmica .

Los esfuerzos térmicos pueden conducir a grietas en partes cerámicas y en herramientas y dados fabricados de materiales relativamente frágiles. La fatiga térmica tiene lugar de un ciclado térmico, lo que causa un cierto número de grietas superficiales, especialmente en herramientas y dados para operaciones de fundición y de trabajo de metal (cuarteaduras de calor). El choque térmico es el término comúnmente utilizado para describir el desarrollo de grietas después de un sólo ciclo térmico. Los esfuerzos térmicos pueden ser causados tanto por los gradientes de temperatura como por 1a anisotropía de la dilatación térmica, que por lo general se observa en metales hexagonales compactos y en cerámicos.

Para reducir parte de los problemas de la dilatación térmica, se ha desarrollado una familia de aleaciones de hierro-níquel con coeficientes de dilatación térmica muy baja; se conocen como aleaciones de baja dilatación. La característica de baja dilatación térmica de estas aleaciones a menudo se conoce como efecto Invar. El coeficiente térmico de dilatación típicamente se encuentra dentro del rango de 2 X 10^-6 a  9 X 10^-6 X °C. EI Invar por sí mismo tiene una composición de 64% de hierro y 36% de níquel; otros materiales incluyen aleaciones de hierro, níquel y cobalto.

Estas aleaciones también tienen una buena resistencia térmica a la fatiga y una buena ductilidad; como resultado, se puede formar fácilmente con diferentes contornos. Las aplicaciones incluyen (a) tiras bimetálicas formadas por una aleación de baja dilatación, unida metalúrgicamente a una aleación de alta dilatación, la tira se tuerce al someterse a un cambio de temperatura; y (b) sellos de vidrio a metal de alta calidad en los cuales coinciden las dilataciones térmicas.

Algunas aplicaciones del efecto térmico son las siguientes:

• Generación de calor mediante resistencias preparadas para transformar la energía eléctrica en calor. Como ejemplos cabe citar las estufas, las placas de cocina, los soldadores de estaño, etcétera.
• Generación de luz al atravesar la corriente un filamento resistivo de tungsteno, que alcanza los 2000ºC, con lo que se pone incandescente.
• Fundamento de elementos de protección, como fusibles, formados por un hilo conductor de menor sección que los conductores de la línea que se quiere proteger, o interruptores automáticos magnetotérmicos, que disponen de dos sistemas de apertura en caso de sobrecarga: uno térmico y el otro magnético (relé de sobreintensidad).

Algunos inconvenientes del efecto térmico son el calentamiento de las líneas eléctricas, la potencia perdida en las máquinas eléctricas y los efectos de sobrecargas y cortocircuitos en las instalaciones. 

MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y mecánica . Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:
1) Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura .
2) La máquina realiza un trabajo
3) Libera calor a una fuente a temperatura más baja .
En un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua . El vapor se quema y el calor generado se utiliza para producir vapor de agua . El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Por último, la energía mecánica asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. El motor de combustión interna en un automóvil extrae calor del combustible en combustión y convierte una fracción de esta energía mecánica .
Una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial.
El trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma .
Q_neto= Q_h- Q_c ; por lo tanto:

W=Q_h- Q_c

Donde Q_h y Q_c se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa a tal proceso en un diagrama PV.

La eficiencia térmica , e, de una máquina térmica se define como la razón del trabajo neto realizado al calor absorbido durante un ciclo:

e= W/Q_h = (Q_h- Q_c)/Q_h = (1-Q_c)/Q_h

Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e=1) sólo si Q_c=0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría . En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calorífica absorbida Q_h en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible.
Un refrigerador (o bomba de calor) es una máquina térmica que opera en sentido inverso , en la cual la máquina absorbe el calor Q_c de la fuente fría y libera calor Q_h a la fuente caliente. Esto sólo puede ser posible si se hace un trabajo sobre el refrigerador. Por lo tanto, se ve que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más frío (el contenido del refrigerador) a un cuerpo más caliente (el cuarto).

Fig.: Diagrama esquemático de un refrigerador imposible, es decir un que absorba el calor Q_c de la fuente fría y libere una cantidad equivalente de calor a la fuente caliente con W=0.

Si se pudiera lograr sin hacer algún trabajo, se tendría un refrigerador perfecto.
El calor no puede fluir espontáneamente de un objeto frío hacia uno caliente. El calor, solo fluirá del más frío hacia el más caliente sólo si hace trabajo sobre el sistema .
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES.
El calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más caliente hacia uno más frío cuando se ponen en contacto, pero el procesos inverso sólo se puede lograr por medio de una influencia externa . Cuando un bloque se desliza sobre una superficie áspera, finalmente se detendrá. Dichos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. Un PROCESO es IRREVERSIBLE si el sistema y sus alrededores no pueden regresarse a su estado inicial.
Un sistema puede ser REVERSIBLE si el sistema pasa de un estado inicial a un estado final a través de una sucesión de estados de equilibrio. Si un proceso es real ocurre en forma cuasiestática, es decir, lo suficientemente lento como para que cada estado difiera de modo infinitesimal del equilibrio, se puede considerar reversible.
Como un proceso reversible se define por una sucesión de estado de equilibrio se puede representar por una curva en un diagrama de PV, en la cual se establece la trayectoria del proceso . Cada punto sobre la curva representa uno de los estado de equilibrio intermedios. Por otro lado, un proceso irreversible es aquel que pasa de un estado inicial a uno final a través de una serie de estados de no-equilibrio. En este caso, sólo los estado inicial y final se pueden representar en un diagrama de PV. Los estados intermedios, de no equilibrio pueden tener volúmenes bien definidos, pero estos estados no están caracterizados por una presión única para todo el sistema . En lugar de ello, existen variaciones en la presión (y temperatura) a través del rango de volumen y estas variaciones no persistirán si se dejan en libertad (es decir, condiciones de no equilibrio). Por esta razón, no es posible representar con una línea un proceso irreversible en un diagrama de PV.

Fig. : El proceso reversible entre dos estados de equilibrio i y f se puede representar por una línea en un diagrama PV. Cada punto de esta línea representa un estado de equilibrio. Un proceso irreversible pasa por una serie de estados de no equlibrio y no se puede representar por una línea en éste diagrama .