Unidad 4 - EnergíaEnergía mecánica: Estudia el equilibrio y el movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas. Se expresan como la energía cinética y la energía potencial.

Energía cinéticaEnergía cinética: Energía asociada al movimiento

Ec = ½ *m*v2

Energía potencialEnergía potencial: Energía determinada por la posición de

los cuerpos. Ep = m*g*h = P*h

LA ENERGÍA MECÁNICA SE MANTIENE CONSTANTE(en ausencia de otras fuerzas, por ejemplo, el rozamiento)

O sea que: Em = Ec + Ep = CONSTANTE

Unidad 4 (Continuación)

• Sistema y Medio AmbienteEl sistema termodinámico se define como la porción del

Universo sometida al estudio.

El Medio Ambiente es el resto del Universo que no forma paste del sistema.

• Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.

• Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante).

• Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

Unidad 4 (Continuación)

• Descripción de Sistema y Ambiente

                                                                                               

                       

Unidad 4 (Continuación)

• 1º Principio de la TermodinámicaSe basa en la conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas.• A cada estado del sistema le corresponde una energía

interna U.• Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su

energía interna cambia en ΔU=UB-UA

• El 1º Principio se resume con la ecuación: ΔU = Q – W la cual es otra manera de describir la conservación de la energía.

Unidad 4 (Continuación)

• Transformaciones• La energía interna U del sistema depende únicamente del estado

del sistema, en un gas ideal depende solamente de su temperatura. Mientras que la transferencia de calor o el trabajo mecánico dependen del tipo de transformación o camino seguido para ir del estado inicial al final.

• Isócora o a volumen constanteNo hay variación de volumen del gas, luego W=0Q=ncV(TB-TA)Donde cV es el calor específico a volumen constante

• Isóbara o a presión constante W=p(vB-vA) Q=ncP(TB-TA)Donde cP es el calor específico a presión constante

Unidad 4 (Continuación)2º Principio de la Termodinámica

Puede enunciarse así:

“Una transformación macroscópica sólo puede tener lugar

si la entropía del universo aumenta”

ΔSuniverso > 0

ΔSuniverso = ΔSsistema + ΔSmedio

Unidad 4 (Continuación)

• Energía utilizada en aplicaciones tecnológicas

3. Energía nuclear

4. Energía hídrica

5. Energía eólica

6. Energía proveniente de los hidrocarburos

7. Biomasa (Leña; caña de azúcar)

Unidad 4 (Continuación)• 3º Principio de la Termodinámica

Enunciado de Nernst: :

En el límite cuando T tiende a cero, la diferencia de las entropías entre dos estados cualesquiera caracterizados por la mismatemperatura tiende a cero. lim S → 0 T→0

Enunciado de Planck:

La entropía de una sustancia cristalina perfecta es cero a la temperatura del cero absoluto.

Unidad 4 (Final)Energías renovables: Son aquellas que no se agotanenergía del sol la energía eólicala energía producida por la atracción gravitatoria de la luna (energía mareomotriz) la energía de la tierra (energía geotérmica) (También llamadas “verdes” o “alternativas”)

Energías no renovables: Proviene de fuentes que se agotanUranioGas de yacimientosCarbónPetróleo (También llamadas “tradicionales”)

Unidad 5 – Materias Primas

• Sólidos cristalinos

Los átomos, moléculas o iones se empaquetan en

un arreglo ordenado.

(Sólidos covalentes`[diamante; cristales de

cuarzo], sólidos metálicos, sólidos iónicos)• Sólidos amorfos

No presentan estructuras ordenadas

(ej. Vidrio y hule)

Unidad 5 (Continuación)• Sólidos cristalinosCelda unitaria:

Mínima unidad que da toda la información acerca de la

estructura de un cristal.

Ejemplo:

Estructura cristalina del ClNa que presenta un empaque cúbico centrado en las caras

Unidad 5 (Continuación)

• Sólidos No CristalinosSólido amorfo, no cristalino cualquier sólido en el cual los

átomos y las moléculas no están organizadas en un

patrón reticular definida. Por ejemplo, vidrio, plástico.

Unidad 5 (Continuación)• Compuestos metálicosUn enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se agrupan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a labaja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga a éste las propiedades eléctricas y térmicas. Este enlace sólo puede presentarse en sustancias en estado sólido.

Unidad 5 (Continuación)

• Enlace metálico en el cobre

Unidad 5 (Continuación)

• Ejemplos de celdas

Unidad 5 (Continuación)

• ¿Qué son los metales ferrosos?

Básicamente los metales ferrosos son los aceros que

tienen un porcentaje de carbono en su composición.

Según el porcentaje se dividen en dos grupos:

• 1. Aceros (con un porcentaje menor al de 1,98 % de carbono)

• 2. Fundiciones (con un porcentaje mayor al de 1,98 % de carbono

Unidad 5 (Continuación)

Unidad 5 (Continuación)• AcerosLas materias primas (o bien mineral de

hierro o bien chatarra férrea, según el

proceso) son convertidas en acero fundido.

El proceso a base de mineral de hierro

utiliza un alto horno y el proceso con la

chatarra férrea recurre a un horno de arco

eléctrico.

Unidad 5 (Continuación)• Termoplásticos:

Sus macromoléculas están dispuestas libremente sin

entrelazarse. Se reblandecen con el calor adquiriendo la

forma deseada.

• Termoestables:

Sus macromoléculas se entrecruzan formando una red de

malla cerrada. No permite nuevos cambios de forma

Mediante calor o presión. Puede deformarse una sola vez.

• Elastómeros:

Sus macromoléculas se ordenan en forma de red de malla

con pocos enlaces. Gran elasticidad; recuperan su forma y

dimensiones cuando deja de actuar sobre ellos una fuerza.

Unidad 5 (Continuación)

• Materiales poliméricosConstituidos por polímeros (poli: muchos; meros: parte)

El poliestireno es un polímero formado a partir de la unidad repetitiva conocida como estireno, siendo el estireno una molécula de la siguiente estructura:

Ejemplos de polímeros: el ADN, la seda, el almidón y la celulosa

Unidad 5 (Continuación)

• Resinas: Naturales y Sintéticas

Naturales: resina verdadera; gomorresinas ; oleorresinas ; bálsamos lactorresinas

Sintéticas: poliéster; poliuretano; resina epoxi; acrílicos; viniléster

Fig.1. Grupo uretano, eslabón de las cadenas poliméricas en los poliuretanos.

Tiene un uso difundido como aislante térmico.

Unidad 5 (Continuación)

• Biopolímeros: El plástico del futuro

El plástico común se acumula ya que sólo se recicla una pequeña parte, por ende, la solución son los plásticos biodegradables.

Problema: Convertir el polímero (plástico) en CO2, H2O y biomasa por acción de los microorganismos (o sea, en biodegradar)

Tiempo aproximado de destrucción de materia en la naturaleza:

Cáscara de banana: 2 a 10 días Botella de vidrio: 4000 añosTetra Pack: 5 años Bolsa de plástico: 10 – 20 años (aunque el subsuelo conserva trazas durante varias décadas)

Para crear un bioplástico los científicos buscan estructuras químicas que permitan ladegradación del material por microorganismos. Un ejemplo muy conocido es el PHA(polihidroxialcanoato), un polímero doblemente ecológico, originado a base de un recursorenovable y que es biodegradable.

Unidad 5 (Continuación)• Ejemplo de bioplástico: Polihidroxialcanoato

poli-(R)-3-hidroxibutirato (P3HB)

Unidad 5 (Continuación)

• Otros ejemplos de bioplásticos

3. Almidones químicamente modificados (almidón-polietileno)

2. Carboximetilcelulosa

3. Celofán

Unidad 5 (Continuación)

• Vidrio

• El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.

• El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y caliza (CaCO3).

• El término "cristal" es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto en el ámbito científico debido a que el vidrio es un sólido amorfo (sin forma regular o bien determinada) y no un sólido cristalino.

Unidad 5 (Continuación)

Figura 1: Cristal organizado de SiO2 Figura 2: SiO2 en estado vítreo.

Unidad 5 (Continuación)

• SilicatosLos silicatos son el grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre, además del grupo de más importancia geológica por ser petrogénicos, es decir, los minerales que forman las rocas. Todos los silicatos están compuestos por silicio y oxígeno. Estos elementos pueden estar acompañados de otros entre los que destacan aluminio, hierro, magnesio o calcio.Químicamente son sales del ácido silícico. Los silicatos, así como los aluminosilicatos, son la base de numerosos minerales que tienen al tetraedro de silicio-oxígeno (un átomo de silicio coordinado tetraédricamente a átomos de oxígeno) como su estructura básica: feldespatos, micas, arcillas.Los silicatos forman materiales basados en la repetición de la unidad tetraédrica SiO44-. La unidad SiO44- tiene cargas negativas que generalmente son compensadas por la presencia de iones de metales alcalinos o alcalinotérreos, así como de otros metales como el aluminio.Los silicatos forman parte de la mayoría de las rocas, arenas y arcillas. También se puede obtener vidrio a partir de muchos silicatos. Los átomos de oxígeno pueden compartirse entre dos de estas unidades SiO44-, es decir, se comparte uno de los vértices del tetraedro. Por ejemplo, el disilicato tiene como fórmula [Si2O5]6- y, en general, los silicatos tiene como fórmula [(SiO3)2-]n.En el caso de que todos los átomos de oxígeno estén compartidos, y por tanto la carga está neutralizada, se tiene una red tridimensional denominada sílice o dióxido de silicio, SiO2.En los aluminosilicatos un átomo de silicio es sustituido por uno de aluminio.

Unidad 5 (Continuación)

• Estructura del ortosilicato, SiO4-4

Unidad 5 (Continuación)• Nanomateriales

Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que una décima de micrómetro en al menos una dimensión.A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala(1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).Los materiales a microescala pueden presentar propiedades muy diferentes de las que presentan a macroescala, lo cual les confiere propiedades únicas.Ej: El oro (inerte a macroescala) sirve como potente catalizador

químico a nanoescala.

Unidad 6

• Tracción y Compresión simples• La tensión es una fuerza que tira; por ejemplo, la fuerza que actúa sobre un cable

que sostiene un peso. Cuando un material esta sometido a tensión suele estirarse, y recupera su longitud original (deformación elástica),si esta fuerza no supera el límite elástico del material. Bajo tensiones mayores, el material no vuelve completamente a su situación original (deformación plástica), y cuando la fuerza es aún mayor, se produce la ruptura del material.

• La compresión es una fuerza que prensa, esto tiende a causar una reducción de volumen.

• Si el material es rígido la deformación será mínima ,siempre q la fuerza no supere sus limites; si esto pasa el material se doblaría y sobre el se produciría un esfuerzo de flexión.

• Si el material es plástico se produciría una deformación en la que los laterales se deformarían hacia los lados.

• La flexión es una fuerza en la que actúan simultáneamente fuerzas de tensión y compresión; por ejemplo, cuando se flexiona una varilla, uno de sus lados se estira y el otro se comprime.

• Si estas fuerzas no superan los limites de flexibilidad y compresión de del material este solo se deforma, si las supera su produce la ruptura del material.

Unidad 6 (Continuación)

• Ensayo de pandeoEl objeto del ensayo de pandeo es investigar el comportamiento de elementos

largos (esbeltos) sometidos a cargas de compresión axial, es decir, que no

fallan por aplastamiento.

Elementos que fallaron por pandeo

Unidad 6 (Continuación)

• Ensayo de Tracción

Consiste en someter a una muestra del material (probeta normalizada)

a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produzca la

ruptura de la probeta. Se mide la resistencia del material a una fuerza

estática o aplicada lentamente y sirve para determinar características

diversas de los materiales elásticos. (Módulo de elasticidad o de Young

Coeficiente de Poisson, entre otros)

Probeta de cobre antes y después del ensayo de tracción.

Unidad 6 (Continuación)

• Diagrama Tensión – Deformación

Diagrama típico de un acero de bajo límite de fluencia (cuando cede; deformación brusca sin que aumente la carga aplicada)

1. Deformaciones elásticas

2. Fluencia

3. Deformaciones plásticas

4. Estricción (ruptura)

Unidad 6 (Continuación)

• Fracturas: Pueden ser dúctiles o frágiles

Se da cuando el material fluye o se "estira" antes de romperse, de manera paulatina; la superficie fracturada se verá adelgazada, deformada y bajo el microscopio se observarán características alteradas del material en incluso algunos picos. Se produce luego de una intensa deformación plástica.

Se exhibe cuando el material sufre fractura debido a su poco límite de fluencia, es decir la falla ocurre de manera súbita; no se observará deformación alguna y las propiedades del material lucirán idénticas, solamente se observará una superficie plana

Unidad 6 (Continuación)

• La ductilidad es una propiedad que presentan, entre otros, las aleaciones metálicas los cuales bajo la acción de una fuerza pueden deformarse considerablemente sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos de dicho metal. En los ensayos de deformación, presentan una fase de fluencia caracterizada por una gran deformación sin un incremento considerable de la carga.

Esquema de la respuesta de una barra cilíndrica de metal a una fuerza de tracción de dirección opuesta a sus extremos.

b) Fractura frágil

c) Fractura dúctil

d) Fractura totalmente dúctil

Unidad 6 (Continuación)

• Fractura frágil y fractura dúctil: Los correspondientes diagramas tensión-deformación

Unidad 6 (Continuación)• Tenacidad:

Es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura,por acumulación de dislocaciones.

En mineralogía, es la resistencia que opone un material (o mineral) a ser roto, molido, doblado, desgarrado, etc., siendo una medida de su cohesión.

Se determina o se estudia mediante la Prueba de Impacto. Ésta puede ser, según Charpy, con flexión o con flexión y muesca. Otras modalidades pueden ser prueba a la caída y pruebas de impactoa alta velocidad. (no incluídas en Charpy).

La tenacidad al impacto se mide en kJ/m2

Unidad 6 (Continuación)

• Prueba de Impacto

Esta prueba consiste en impactar una probeta estándar mediante un péndulo que se deja caer desde cierta altura. La prueba de impacto se realiza a diferentes temperaturas de acuerdo a lo exigido por los estándares.

Un estándar muy común es la norma ASTM E-23 o bien la ISO 179-1 (2000) en la cual se define la geometría de la muestra o probeta.

Unidad 6 (Continuación)

• Prueba de Impacto: Relación con el diagrama tensión-deformaciónLa energía necesaria para romper un material durante un ensayo de impacto, es decir, la tenacidad al impacto, no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensión (es decir, el área contenida dentro del diagrama esfuerzo-deformación real)

• En general, los metales que tienen alta resistencia y gran ductilidad, tienen buena tenacidad a la tensión, sin embargo, pueden presentar comportamiento frágil cuando están sujetos a velocidades de deformación alta, es decir, pueden mostrar pobre tenacidad al impacto, ya que la velocidad de deformación puede desplazar la transición de dúctil a frágil.

• Los cerámicos y muchos materiales compuestos tienen normalmente tenacidad muy baja, aunque alta resistencia.

• A medida que aumenta la resistencia de los materiales disminuye la deformación específica y por lo tanto su ductilidad. Se dice entonces que el material va ganando en fragilidad.

Unidad 6 (Continuación)

• Fatiga de los materialesEs un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicascíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargasinferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura.Ej.: Un alambre se rompe al doblarlo sin mucha fuerza varias veces, pero la fuerza

necesaria para romperlo doblándolo una sola vez es muy grande.

La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.). Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de losmateriales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también está presente en polímeros (plásticos, composites,...), y en cerámicas.

Principal peligro: Puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción (o límite elástico) para una carga estática y aparecer sin previo aviso produciendo roturas catastróficas.

Unidad 6 (Continuación)

• CorrosiónDeterioro de un material a causa de un ataque electroquímico (oxidación) porsu entorno.

Esquema de la corrosión del hierro, ejemplo de corrosión del tipo polarizada. Puede evitarse con recubrimientos.

Unidad 7

• Conducción EléctricaEs el movimiento de partículas eléctricamente cargadas a través de unmedio de transmisión. (conductor eléctrico). El transporte de las cargaspuede ser puede ser a causa de la existencia de un campo eléctrico.

Semiconductor: Se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores (Campo eléctrico; campo magnético; temperatura; radiación incidente)

Los elementos semiconductores son todos tetravalentes, teniendo elsilicio una configuración electrónica s2p2.

Unidad 8