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Todo lo que podemos conocer sobre los materiales
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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José Yánez Joelvis Sanchez 26.001.
Edad de Piedra, Edad del cobre, Edad del Bronce, Edad del Hierro, etc.… En la historia de la tecnología, la disponibilidad de los distintos materiales ha determinado el avance tecnológico. Hoy en día existen multitud de materiales, algunos naturales y otros artificiales, y cada uno de ellos tiene una serie de cualidades que lo diferencian del resto: sus propiedades. ¿QUÉ SON LAS PROPIEDADES DE UN MATERIAL? Todos los materiales poseen una serie de propiedades, que además de diferenciarlos unos de otros, determinan su utilidad para el ser humano o el uso al que se destina. Las propiedades de un material se pueden definir como un conjunto de características que hacen que se comporten de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, la electricidad, la aplicación de fuerzas, el medio ambiente, la presencia de otros materiales, etc. Siendo dichas propiedades lo que diferencian un material de otro y lo que determina que un objeto esté fabricado de un material determinado. Por ejemplo, un martillo deberá estar realizado de un material duro, el faro de un coche tendrá que estar realizado de un material transparente, un tobogán deberá estar fabricado de un material liso, y un chubasquero tendrá que estar realizado de un material impermeable. OBTENCIÓN DE LOS MATERIALES La mayoría de los materiales de los cuales están fabricados los objetos no se encuentran directamente en la naturaleza, sino que se elaboran a partir de otras sustancias que son las
que se extraen de la naturaleza. Por ejemplo, el plástico no se encuentra en la naturaleza, ni el cristal, ni el papel, etc.… Es por esta razón por la que podemos distinguir entre: Materias primas Son las sustancias que se extraen directamente de la naturaleza. Atendiendo a su origen, las materias primas se pueden clasificar en tres grandes grupos: Materias primas animales: lana, seda, pieles, Materias primas vegetales: madera, corcho, algodón, lino, esparto, … Materias primas minerales: arcilla, arena, mármol, mineral de hierro, … Una vez extraídas, las materias primas se transforman en los distintos tipos de materiales que se utilizan para fabricar productos. MATERIALES Se denomina material a la materia preparada y disponible para elaborar directamente cualquier producto. El papel, las planchas de madera, el plástico, el metal, el vidrio, un ovillo de algodón, el nailon… son algunos ejemplos de materiales obtenidos a partir de diversas materias primas.
Las aleaciones de hierro con un contenido en carbono entre 0,03 y 1,67% se designan con el nombre de aceros. Por su parte, el bronce es una aleación de cobre y estaño; y los latones, aleaciones de cobre y cinc. En las aleaciones las concentraciones de los elementos se suelen expresar en tanto por ciento en masa, aunque también es frecuente el uso de concentraciones volumétricas y atómicas. PROPIEDADES FÍSICAS Las propiedades físicas se deben al ordenamiento en el espacio de los átomos de los materiales. Las más relevantes son las cinco siguientes:
Las propiedades térmicas son aquéllas que están íntimamente relacionadas con la temperatura y que, lógicamente, determinan el comportamiento del material en unas condiciones dadas. Las propiedades térmicas que estudiaremos serán:
R = resistencia eléctrica (Ω) = resistividad del material (Ω m) = longitud del conductor (m) = sección del conductor (m^2 )
La mayoría de los materiales aumentan de tamaño (se dilatan) al aumentar su temperatura, siempre que no se produzcan cambios de fase. El origen de la dilatación térmica reside en que al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones de las partículas (moléculas, átomos o iones) del material, lo que da origen a una mayor separación entre ellas. En general, el valor final de una magnitud X (longitud, superficie o volumen) de un material al aumentar su temperatura un cierto valor viene dado por: siendo el valor inicial de la magnitud considerada y K el llamado coeficiente de dilatación.
- Para longitudes (dilatación lineal): ; ( = coeficiente de dilatación lineal). - Para superficies (dilatación superficial): ; ( = coeficiente de dilatación super- ficial). - Para volúmenes (dilatación cúbica): ; ( = coeficiente de dilatación cúbica). Los coeficientes de dilatación lineal, superficial y cúbica vienen relacionados por las expresiones: = 2
Según esto, los sólidos con puntos de fusión mayores serán los que presenten enlaces covalentes atómicos; le siguen los compuestos iónicos, los metálicos y, por último, los covalentes moleculares. Si no se modifica la presión, mientras dura la fusión de una sustancia la temperatura permanece constante. Esto se debe a que toda la energía suministrada en forma de calor se invierte en romper la estructura interna del sólido. Al calor que es preciso comunicar a la unidad de masa de una sustancia que se encuentra a la temperatura de fusión para que se produzca el paso del estado sólido al líquido se denomina calor latente de fusión. Y, al contrario, el calor que la unidad de masa de una sustancia desprende al pasar del estado líquido al sólido se denomina calor latente de solidificación. Estos calores latentes de fusión y solidificación se expresaban tradicionalmente en cal/g; sin embargo, recientemente se ha acordado hacerlo en J/mol o en kJ/mol. Algunos de ellos se recogen en la tabla siguiente. Variación de la temperatura en los cambios de estado. DIFUSIÓN La agitación térmica de los átomos en un sólido puede provocar desplazamientos de los mismos desde su posición de equilibrio hasta otras posiciones próximas. Este tipo de movimientos se designa con el nombre de difusión. Si en un sólido existe una zona perfectamente delimitada en la que únicamente se encuentren presentes átomos de impurezas, éstos con el paso del tiempo se reparten por igual en todo el volumen del sólido.
La difusión se produce más fácilmente al aumentar la temperatura, pues este hecho da lugar a un incremento de la agitación térmica de los átomos constituyentes del material. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA La transmisión del calor por conducción se verifica a través de los cuerpos desde los puntos de mayor a los de menor temperatura, y se debe a los choques de los átomos y de las partículas subatómicas entre sí. La conductividad térmica (K) es un parámetro indicativo del comportamiento de cada cuerpo frente a este tipo de transmisión de calor, de tal forma que en una barra de longitud L de un determinado material, en cuyos extremos existan unas temperaturas T 1 y T 2 (T 1 >T 2 ), se cumple: siendo J la densidad de flujo de calor; es decir, la energía térmica transmitida por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Las unidades de la conductividad térmica K en el SI son W/m K.
Materiales ferromagnéticos. En su interior el campo magnético es mucho mayor que en el exterior. Estos materiales se utilizan como núcleos magnéticos en transformadores y bobinas en circuitos eléctricos y electrónicos; los más importantes son el hierro, el cobalto, el níquel y sus aleaciones, así como los óxidos de hierro conocidos frecuentemente como ferritas y utilizados en circuitos electrónicos. PROPIEDADES ÓPTICAS Se ponen de manifiesto cuando la luz incide sobre un material. En función de su comportamiento ante la luz, los materiales se clasifican en opacos, transparentes y translúcidos. Transparentes: Los objetos se ven claramente a través de estos materiales, pues dejan que los rayos de luz los atraviesen. Son materiales transparentes el vidrio, algunos plásticos, etc. Translúcidos: Estos materiales permiten el paso de la luz, pero no dejan ver con nitidez lo que hay tras ellos. Tal es el caso de una tela fina, el papel de cebolla, Opacos: No se pueden ver los objetos a través de ellos, ya que estos materiales no permiten el paso de la luz. Ejemplos: la madera, los metales, el cartón y la cerámica. PROPIEDADES MECÁNICAS Describen el comportamiento de los materiales cuando se los somete a la acción de fuerzas exteriores. Las propiedades mecánicas más importantes son la elasticidad, la plasticidad, la maleabilidad, la ductilidad, la dureza, la resistencia mecánica, la tenacidad y la fragilidad.
Elasticidad/Plasticidad : La goma es un material elástico, al aplicarle una fuerza se estira, y recupera su forma original cuando dejas de estirarla. La plastilina, en cambio, es un material plástico, pues permanece deformada aun después de dejar de manipularla.
- La elasticidad es la propiedad de los materiales de recuperar su tamaño y forma originales cuando deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. - La plasticidad es la propiedad de los cuerpos de adquirir deformaciones permanentes cuando actúa sobre ellos una fuerza. Ductilidad/Maleabilidad: - Ductilidad: Es la capacidad de los materiales de extenderse formando cables o hilos, y los materiales que la presentan se denominan dúctiles. - Maleabilidad: Es la capacidad de los materiales de extenderse en planchas o láminas, y los materiales que la presentan se denominan maleables. Dureza: Es la resistencia de un material a ser rayado. Es decir, un material es duro o blando dependiendo de si otros materiales pueden rayarlo. El material más duro que existe es el diamante, ya que es capaz de rayar a los demás materiales, pero únicamente puede ser rayado por otro diamante. Resistencia mecánica: Es la propiedad que permite a un material de soportar esfuerzos sin romperse. La resistencia mecánica de los materiales varía según el tipo de esfuerzo que actúe sobre ellos:
Según el impacto que los materiales producen en el medio ambiente, se clasifican en materiales tóxicos, reciclables, biodegradables y renovables. Toxicidad Estos materiales son nocivos para el medio ambiente, ya que pueden resultar venenosos para los seres vivos (las plantas, los animales, las personas…) y contaminan el suelo, el agua y la atmósfera. Reciclabilidad Son los materiales que se pueden reutilizar. El vidrio, el papel, el cartón, el metal y los plásticos son ejemplos de materiales reciclables de uso diario. Es la capacidad de los materiales de ser vueltos a fabricar. El reciclaje de materiales no sólo contribuye a conservar los recursos naturales (los árboles, los minerales, el petróleo…); también evita la acumulación de grandes cantidades de residuos. Biodegrabilidad Es la capacidad de los materiales de, con el paso del tiempo, descomponerse de forma natural en sustancias más simples. Los materiales que no se degradan naturalmente, denominados no biodegradables, permanecen en los ríos, los mares y la atmósfera prácticamente para siempre.
Renovables Las materias primas renovables son aquellas que existen en la naturaleza de forma ilimitada, ya que se pueden regenerar. La lana, el algodón y la madera son ejemplos de materias primas renovables. Hay otras materias primas, como el petróleo o los minerales, que no son renovables, es decir, pueden llegar a agotarse con el tiempo. LA ELECCIÓN DE LOS MATERIALES Al elegir un material para una determinada aplicación, habrá que tener en cuenta los siguientes factores: Sus propiedades: dureza, flexibilidad, resistencia al calor... Las posibilidades de fabricación: las máquinas y herramientas de las que se dispone, la facilidad con que se trabaja... Su disponibilidad: la abundancia del material, la proximidad al lugar donde se necesita... Su impacto sobre el medio ambiente: si contamina, es tóxico, o biodegradable. Su precio: El coste del material utilizado influirá en el precio final del producto u objeto construido. EJEMPLOS DE ELECCIÓN DE MATERIALES : La propiedad que determina el material del que está fabricada la malla es la elasticidad. La propiedad que determina el material del que está fabricada la olla es la conductividad térmica. La propiedad que determina el material del que están fabricados los faros es la transparencia , y el parachoques la resistencia mecánica.
