Temperatura: Instrumento de Medición, Escala de Medición y Sistema de Unidades de Medición

La medición es un proceso esencial e indispensable tanto para el investigador, como el estudiante, como a todas las personas en el día a día. Medimos cantidades que son variables y para ello debemos contar con tres conceptos básicos: el instrumento de medición, la escala de medición y el sistema de unidades de medición. Hoy hablaremos de las escalas de temperatura puesto que para profundizar en temas de la termodinámica es una teoría que debemos conocer. Las escalas de medición que se adopten son fundamentales ya que le dará veracidad y confiabilidad al estudio que se realice por ello el tema se desarrolla a continuación.

La temperatura es una propiedad de un cuerpo o un sistema que establece si el mismo está en equilibrio con otro cuerpo o sistema, principio de la ley cero de la termodinámica. Las distintas escalas existentes fueron planteadas en base a sustancias que varían homogéneamente con la temperatura como el mercurio o alcohol en columnas donde se medía la variación en la altura, también emplearon métodos eléctricos mediante resistencias y otro sistema empleado fue el de variación de volumen o presión de un gas. Estos diferentes métodos determinan lo que se conoce como magnitudes termométricas. 

Las escalas más usadas actualmente son la Celsius, la Fahrenheit y la Kelvin. Las historias de cómo fueron ideadas estas escalas son muy variadas, incluso de que sus creadores no lo fueron en realidad. Les dejo acá un video bastante interesante y saquen ustedes sus propias conclusiones. 

Lo cierto es que actualmente para el sistema internacional se usa la escala Celsius denotada por °C donde se le asignan los valores de 0 y 100°C a los puntos de congelación y de vapor del agua respectivamente. Dicha escala parece ser que no es la oficial para este sistema, sino que se emplea la escala Kelvin de la cual hablaremos en un momento. Para el sistema inglés la escala es el Fahrenheit denotada por °F donde los valores para ella son 32 y 212 °F. Esta escala prácticamente es empleada en EEUU y algunos pocos países más. ¿Por qué 32 Fahrenheit?

En termodinámica la escala de temperatura debe ser independiente de las propiedades de las sustancias de calibración. La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin denotada por K (sin el símbolo de grados). Aquí la temperatura más baja es 0 K (cero absoluto) y lo más bajo que se ha logrado alcanzar mediante técnicas de refrigeración no convencionales es 0.000000002 K en 1989. En el sistema inglés la escala es llamada Rankine y se denota por la letra R. 

A continuación se muestran una comparación de temperaturas entre las distintas escalas y como convertir o la relación entre unas y otras: 

Tabla comparativa entre las distintas escalas de temperatura

Fórmulas para conversión entre escalas

   

Fundiciones: Tipos y Definición de Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro, carbono del y silicio que generalmente contienen también manganeso, fosforo, azufre, etc. Se caracterizan por no ser  nunca sometidas a deformación plástica ni en frio ni en caliente. En general, no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse.

Existen tres tipos de fundiciones que son las más conocidos en la industrial.

• Las fundiciones grises son las más importantes, en su solidificación y posterior enfriamiento, aparecen láminas de grafito que al generar discontinuidades en la matriz, causan que las características mecánicas del las fundiciones grises por lo general sean, inferiores a las de los aceros, sin embargo, estas son suficientes para muchas aplicaciones.

• Las fundiciones blancas, que en su solidificación, aparece un constituyente llamado ledebudurita. Que es un eutéctico formado por austenita saturada y cementita, que no existe en los aceros y que al enfriarse queda transformado luego a temperatura ambiente en agrupaciones muy características de cementita y perlita. Esta fase es bastante dura y frágil, con alta tendencia a la fisuración.

• La Fundición nodular, que a diferencia de la gris y la blanca, contienen magnesio en su estructura. Este elemento hace que el carbono se cristalice en forma de nódulos. Ha sido bastante aceptada debido a sus buenas propiedades mecánicas, similares a las de un acero al carbono. Se conoce como fundición nodular o dúctil y es bastante fácil de producir.

Las piezas tienen, por lo general, un menor costo que las de acero que es el material mas utilizado en los talleres y fabricación de maquinaria. Su fabricación es también mas sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas no muy elevadas, siendo estas mas bajas que las empleadas en los aceros.
También cabe destacar que las fundiciones son mucho más fáciles de mecanizar que los aceros, si como también se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de gran tamaño y piezas pequeñas con una gran precisión, siendo además en ellas menos frecuente la parición de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero fundido.

Presión: Definición, Tipo de presión y Ejemplos

Continuando con algunos conceptos básicos necesarios para desarrollar plenamente el entendimiento de la termodinámica llegó el turno de la presión. Y es que sólo podemos hablar de presión cuando se trata de un líquido o de un gas, para sólidos el principio físico es el mismo, pero se le llama esfuerzo y es otro tema del que seguro hablaremos en otro post. 

La definición de presión no es más que el efecto de la aplicación de una fuerza sobre una unidad de área, pero con la fuerza actuando perpendicular al área. Se suele denotar con la letra "P" mayúscula y las unidades métricas que se utilizan para la presión son:

En la práctica dicha unidad es muy pequeña y no es de utilidad; por lo tanto, se suele emplear múltiplos de esta como lo son kilopascal (KPa=10³Pa) y megapascal (MPa= 10⁶Pa), las hay más grandes pero esas son las más usadas. En el sistema ingles la unidad de presión es la libra-fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg² o Psi).

La presión atmosférica es la que el aire atmosférico ejerce sobre los cuerpos en la tierra. Su valor es de 101.325 Pa que es aproximadamente 1,01325 Kg/cm². Para hacernos una mejor idea de esto, un centímetro cuadrado es como el tamaño promedio de una uña; es decir, estamos soportando 1 kilogramo sobre cada una de nuestras uñas. Entonces:

Presión en recipiente abiertos: 

La presión P en un plano horizontal de un líquido en reposo es la misma en todos los puntos del plano. Esto se conoce como principio fundamental de la hidrostática. En dirección vertical si hay variación debido al efecto gravitacional; esto significa que a mayor profundidad la presión es mayor también.

La presión en el fondo del recipiente se ve influenciada por todo el  peso que está soportando; es decir, la densidad del líquido (ρ_L) por el efecto de la gravedad (g) por la altura total (H), pero adicional a ello, la atmósfera también ejerce su efecto tal como se muestra en la siguiente ecuación:

La presión absoluta es la que se mide respecto al vacío absoluto o ideal; es decir, "cuando ya no quedan moléculas en un espacio; por consiguiente, una presión absoluta negativa es una imposibilidad"(Potter, Hondzo & Wiggert, 1998). Si queremos utilizar un dispositivo que mida presión, debemos saber que estos vienen calibrados en su mayoría para medir el cero respecto a la atmósfera. Con ello nace una nueva escala conocida como presión manométrica y no es más que la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local:

Algunos de los dispositivos que les comenté hace un momento son el barómetro, el manómetro los cuales como ya lo dije son instrumentos que sirven para medir la presión atmosférica. El manómetro, por ejemplo, se compone de un tubo en forma de U al cual se le introduce un fluido, mientras mayor sea la presión a medir, mayor debe ser la densidad del fluido. Veamos algunos esquemas que nos ayudaran a entender mejor todo esto: 

Para finalizar y afianzar mejor el tema los dejo con un esquema de presiones bastante claro de como diferenciar las escalas y que tal vez nos ayude a identificarlas a la hora de una prueba.

Bibliografía citada y recomendada:

Potter, M., Hondzo, M., & Wiggert, D. (1998). Mecánica de fluidos (2nd ed.). México: Prentice-Hall.

Çengel, Y., & Boles, M. (1998). Termodinámica. México: McGraw-Hill.

¿Que es la ciencia e ingeniería de los materiales?

Como lo podemos ver en el título del artículo, el tema es sobre materiales, pero estudiados desde el punto de vista físico, químico y de cómo es su comportamiento interno cuando es sometido a algún tipo de esfuerzos. 

Para comenzar es necesario que sepamos que un material es algo tangible, que tiene que ver con la  materia. Para las ciencias y las ingenierías, los materiales "son sustancias con cualidades útiles que pueden ser térmicas, mecánicas o de otra clase". 

Un material no es una pieza. Una pieza es cualquier forma de materia que posee su propia naturaleza interna y; además, se le ha dado una forma y dimensiones con las que se soluciona una necesidad humana. 

Los materiales de ingeniería se clasifican en cuatro grandes grupos:

• Materiales metálicos.
• Materiales polímeros.
• Materiales cerámicos.
• Materiales compuestos (compósitos). 

En ellos, su naturaleza interna es diferente y es esto lo que interesa estudiar. Este tema (ciencia e ingeniería de los materiales) no es el estudio de la resistencia de los materiales, donde el área del conocimiento es el diseño de piezas, seleccionar el material adecuado, darle forma y dimensiones. En cambio, el fundamento de estudiar los materiales es la estructura interna. El material reacciona a los agentes externos según su naturaleza interna y llaman mucho la atención los factores que no sean de su naturaleza.

Para los estudiantes que cursen esta materia deben conocer lo que son los átomos, iones y electrones, aniones y cationes, materiales electronegativos, moléculas, enlaces iónicos y covalentes; así mismo, conocerán como se ordenan los átomos en el espacio interno de los materiales y lo que hace que dos átomos se unan. Esto último debido a los enlaces, uno de ellos para comentar solo un poco es el enlace metálico. Dicho enlace es propio y exclusivo de los materiales metálicos, sean estos técnicamente puros o aleaciones. En estos materiales el enlace metálico existe únicamente cuando se presenta en estado sólido; pues, en estado líquido o gaseoso, el enlace se debilita o desaparece. Esto significa que el enlace metálico se crea durante la solidificación del material metálico. 

En el siguiente esquema podremos observar cómo se distribuyen las partículas en el espacio interior de los materiales: 

Los materiales también se clasifican según el orden de distribución de sus partículas en sus estructuras internas. Esta clasificación atiende al hecho de que las partículas (de nivel atómico) pueden estar distribuidas sin obedecer a ningún orden definido, lo cual es el caso de los denominados cuerpos amorfos o puede ser también el caso de que las partículas estén distribuidas obedeciendo a algún orden definido, lo cual existe en los denominados cuerpos cristalinos o simplemente cristales.
De los cuerpos amorfos se dice también que son materia líquida subenfriada, pues poseen el desorden de la distribución espacial de las partículas que se presenta en estos mismos cuerpos cuando se encuentran en estado líquido.
En los cuerpos cristalinos, las partículas están distribuidas en modo tal que, con átomos o iones y entre núcleos de los vecinos trazamos líneas imaginarias, podemos observar que resultan así definidos ciertas figuras geométricas como, por ejemplo, un cubo, un prisma hexagonal, un rombo u otras. Ese orden es bastante rígido y define lo que ha sido llamado redes cristalinas. En el caso de los materiales metálicos, de los cuales se sabe que sus partículas de nivel atómico son cationes, como los más frecuentes tipos de red cristalina conseguimos los siguientes tres:

1. Red cristalina cubica de cuerpo centrado (CC8).
2. Red cristalina cubica de cara centrada (CC12).
3. Red cristalina hexagonal compacta (HC12).

Aquí entra el concepto de posiciones reticuladas; y no son más que la posición que deben tener los átomos en la red, también son llamadas posiciones de equilibrio. No existen los metales con redes cristalinas perfectas, pero para un caso de estudio se podría suponer la red cristalina perfecta y así simplificar el análisis.
Como pueden ver, el mundo de los materiales para los ingenieros es muy amplio, aquí solo se muestra un ápice de todo lo que aprenderán en el curso. Toda esta información fue recopilada de mi época de estudiante, tengo más si lo requieren y libros por recomendar.
Hasta un próximo post.

TERMODINÁMICA: EQUILIBRIO TÉRMICO Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Hablar de equilibrio térmico es hablar de temperatura. En un post anterior definimos que la temperatura es un indicativo del nivel energético de un cuerpo; por ende, es más que solo saber si un cuerpo está frío o caliente. Al tú tocar un cuerpo la sensación que te produce podría indicarte si está muy frío, tibio o muy caliente, pero la percepción que tengas puede estar errada ya que un objeto de madera y uno metálico podrán estar a la misma temperatura, pero la sensación térmica nos hará creer que eso no es así. 

Decimos que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando están a la misma temperatura. Por ejemplo, una sopa caliente que se deja mucho tiempo sobre la mesa y se "enfría" al pasar calor de la sopa al ambiente cercano que la rodea o un cubo de hielo que se derrite en nuestra bebida. Siempre que un cuerpo entre en contacto con otro cuerpo a diferente temperatura, el cuerpo más caliente o a más alta temperatura le transfiere su calor al de temperatura menor hasta alcanzar el equilibrio térmico. 

Es aquí donde reside el principio de la ley cero de la termodinámica.  Dicha ley permite la medición de temperatura con un termómetro que ha sido calibrado con un cuerpo patrón. 

"La ley cero de la termodinámica establece que, si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre sí. Al sustituir el tercer cuerpo por un termómetro, la ley cero se re-enuncia de la manera siguiente: dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura de temperatura, incluso si no se encuentran en contacto. 

La ley cero fue formulada y nombrada por primera vez por R.H Fowler en 1931. Y como sugiere el nombre, su valor como principio físico fundamental fue reconocido más de medio siglo después de la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica. Recibió el nombre cero puesto que debe preceder a la primera y la segunda. (Cengel y Boles, 1998)".

Grafeno: Que es y para que sirve el Grafeno

El uso de materiales alternativos es fundamental para el progreso y desarrollo de las nuevas tecnologías, en particular las relacionadas con la nanotecnología. Es por ello que el grafeno, un derivado del carbono, descubierto en 2004 representa una de las promesas para maximizar el desempeño de los dispositivos tecnológicos.
Las utilidades y aplicaciones del grafeno se fundamentan en sus notables propiedades, puesto que es un poderoso conductor de electricidad, tiene una dureza mayor que el acero y a la vez gran flexibilidad, y su espesor es de un átomo de carbono.
Aun las notables potencialidades que tiene el grafeno, todavía no se ha explotado totalmente en su forma comercial, puesto que se encuentra predominantemente en su fase experimental y producirlo de buena calidad a gran escala es complicado, sin embargo las aplicaciones en variados ámbitos resulta evidente, desde la construcción de computadores y celulares, hasta ser usado en la aeronáutica y la medicina.
El grafeno proviene del grafito, que a su vez proviene del carbono. Este es uno de los materiales químicos más importante de la naturaleza, pues de acuerdo a como se distribuyan sus átomos puede generar diversos materiales con distintas características. Por ejemplo el grafeno se forma cuando se agrupan partículas ínfimas de carbono con una densidad alta generando una delgada lámina, prácticamente bidimensional, con una configuración de celdas hexagonales.
 

El Grafeno

Con el avance avasallante de la tecnología se hace cada vez más necesario el uso de nuevos materiales que permitan la implementación en de novedosas teorías y descubrimientos que redundan en útiles aplicaciones a la vida cotidiana. En el ámbito de la nanotecnología se predispone el requerimiento del uso de nanomateriales idóneos para cumplir con los proyectos y propósitos de los científicos ocupados en esta área. 

Entre los materiales con potencial utilidad para el desarrollo de la nanotecnología se destaca el grafeno, proveniente del carbono y descubierto en el año 20004 por los químicos rusos Andre Geim y Novoslov, investigadores de la Universidad de Manchester del Reino Unido. Por este incuestionable hallazgo fuero acreedores del premio Nobel en física en el año 2010.

En cuanto a la naturaleza del grafeno González y Karissova (2008) lo definen como una estructura nanométrica, bidimensional, de átomos de carbono fuertemente cohesionados, ligeramente plana, con ondulaciones, de un átomo de espesor, con una apariencia  semejante a una capa de panal de abejas por su configuración atómica hexagonal.

      Para Valdivia (2014) el grafeno posee destacadas propiedades que lo postulan como un nanomaterial de diversos usos en variados campos, señala las siguientes: 

1 Es el material más delgado porque tiene el espesor de un átomo de carbono 

2 Tiene una gran área específica, aproximadamente 2,700 m2 /gr. 

3 Es el cristal con mayor elasticidad (hasta un 20% sin quebrarse) 

4 El de mayor relación resistencia/peso 

5 El de mayor dureza (mayor que el diamante) 

6 El de mayor conductividad térmica (10 veces mayor que el cobre y el aluminio, mayor que el diamante) 

7 El que soporta la mayor densidad de corriente (1 millón de veces mayor que el cobre) 

8 Impermeable a gases.

9 La mayor movilidad de electrones (100 veces mayor que el silicio)

Según Tinnesand con el grafeno se puede hacer transistores dos veces más rápidos que los transistores basado en el silicio, esto representa un incremento en la velocidad de los dispositivos que usen este valioso material en un 100%. Además por su gran flexibilidad se puede usar para construir celulares que se doblan con la pantalla a base de  grafeno.

  González, Hernández y Guinea (2010) expresan "el grafeno es el material más bidimensional que pueda imaginarse" (p. 43). Esto es así pues su espesor es infinitesimal, debido a que es de apenas un átomo de carbono. Los autores añaden que el grafeno destaca por no poseer defectos, tiene una rigidez excepcional y la posibilidad de expandirse más que cualquier otro material cristalino.

Por su versatilidad el grafeno es un nanomaterial con un enorme potencial de funcionalidad y con prometedoras aplicaciones en diversos campos, entre los posibles usos que se le pueden dar  se encuentra la fabricación de microchips o transistores, el desarrollo de ordenadores más rápidos, fabricación de teléfonos celulares ergonómicos y con pantallas flexibles, baterías de larga duración y capaces de recargarse rápidamente, chalecos antibalas, cascos de seguridad, fabricación de chasis más resistentes para los autos, aditivos que mejoren el rendimiento de los motores, elaboración de nevases más seguros para los alimentos.

A pesar de toda esta potencialidad el grafeno todavía no se ha desarrollado totalmente en la industria, pues apenas está en su etapa experimental. Existen muchos desafíos que tienen que resolver los tecnólogos entre los cuales se encuentra producir el material de buena calidad en cantidades suficientes para masificar su uso industrial. Para ello se han invertido grandes sumas de dinero para explorar en el laboratorio las propiedades y el desempeño del nanomaterial en condiciones reales, y para verificar su uso industrial en aplicaciones de dispositivos que mejoren considerablemente su desempeño y por ende la ganancia de las industrias del sector tecnológico.