PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

1- Tipos

¿Qué es la materia?
La realidad primaria de la que están hechas las cosas.
¿Qué es un material?
Es una sustancia, un elemento que tiene propiedades, se puede utilizar para fabricación de estructuras, maquinas o cualquier otro producto
Epocas marcadas:
-Piedra: Rudimentario
-Bronce: Perfeccionar
-Hierro: Siguen perfeccionando mas
Materiales y aleaciones:
Hierro, acero, bronce, latón, aluminio, cromo, niquel
Polímeros:
Plasticos
Ceramicas y vidrios:
Cementos, hormigon
Materiales compuestos:
madera, fibra de vidrios

2- Propiedades de los materiales

Características:
es el como responde un material a una acción
Clasificación:
-Químicas
-Físicas
-Mecánicas
-Estéticas y económicas
-Fabricación o tecnologías
Un materia puedo modificar su estructura interna haciendo aleaciones y tratamientos térmicos
Aleación:
Mezcla de dos o mas metales o de algun metal con algun metaloide que se entremezclan en estados fundidos, calentándolos por el encima de la temperatura de fusión con el objetivo de modificar sus propiedades.Para que se considere aleación se deben cumplir dos condiciones: los elementos deben ser miscibles en estado liquido y el producto obtenido tendra que tener caacter metálico, es decir que su estructura interna sea parecida a los metales.



3-Propiedades quimicas



-Oxidación: Material + O2

-Corrosión: Material + O2 + Humedad + Agente agresión

-Combustión: Mayor o menor facilidad para que un material arda



4-Propiedades físicas



-Densidad: m/v = Kg/ m(3)

-Peso específico: p/v = N/m(3)

4.2 Propiedades eléctricas

Resistividad: Facilidad de los materiales para dejar pasar corriente R= V/I= Homnios

-Aislantes: Resistividad muy alta

-Conductor: Resistividad muy baja

-Semiconductor: Resistividad depende de la temperatura o intensidad

Regided dieléctrico: Tensión máxima que soporta el aislante para que no se perfore. Los malos conductores ( aislantes ) pueden ser conductores si los sometemos a altas tensiones y al saltar el arco o chispa electrica se perforan o queman

Mica 300 y 200kv/cm Vidrio 300 y 1500kv/ cm papel parafinado 300 y 500kv/cm

Aire 500kv/cm Normal 30kv/cm

4.3 Propiedades termicas

-Dilatación: al calentarse los atomos vibran, esto hace que se alarguen

- Lineal L= Lo ( 1 + alfa variacion t )

- Seuperficial S= So ( 1 + beta variacion t )

- Volumen V= Vo ( 1 + gamma variacion t )

-C. específico: cantidad de calor necesario para aumentar 1ºC un gramo Q= m x ce x variacion t

-Temperatura de fusión: se necesita un calor latente de fusión a solidificación

4.4 Propiedades magnéticas

Campo magnético ------- Atomo ------- Otros campos magneticos

- Opuestos al aplicado ------- Diamagnético

- Mismo sentido.Mayor levemento(materiales paramagnéticos)o mucho mayor(ferromagnéticos)

- Materiales diamagnéticos: mercurio, hidrógeno, nitrógeno, oro, plata, cobre.

- Materiales paramagnéticos: aluminio, platino, magnesio.

- Materiales ferromagnéticos: hierro, cobalto, niquel y aleaciones, ferrita.

4.5 Propiedades ópticas

-Opticas: absorven o reflejan totalmente la luz

-Translucidas: dificultad de vision de los objetos

-Transparentes: transmiten y dejan pasar la luz, se ven los objetos atraves de ellos

5-Propiedades mecánicas

DUREZA: se define como la resistentencia que los cuerpos ponen a dejarse rayar por otros, pero industrialmente se define como la resistencia que un cuerpo opone a ser penetrado por otro más duro que él cuya forma y dimensiones están normalizados.
Dos formas de medir la dureza:
-BRINEL, se mide la huella que deja un cuerpo sobre otro (superficie).
-ROCKWELL, se mide la profundidad.

ELASTICIDAD: es la capacidad que presentan los cuerpos de recobrar su forma original después de haber sido deformados, cuando ha desaparecido la fuerza exterior que los deformó.

La elasticidad se mide en Kg/mm(2). Datos de materiales: la plata 0,5; el hierro 20; el acero (0,15% carbono) 28; el acero (0,55% carbono) 43.

PLASTICIDAD: es la capacidad que presentan los materiales de adquirir deformaciones permanentes. Generalmente los metales tienen muy buenas propiedades plásticas a causa de su enlace metálico.
-DUCTILIDAD, en forma de hilos.
-MALEABILIDAD, en forma de láminas.

RESISTENCIA A LA ROTURA: si a un material le vamos aumentando el esfuerzo, primero se deformaráelásticamente, podrá recuperar su forma al eliminar el esfuerzo exterior; segundo se deformará plásticamente, en el cual si retiro el esfuerzo (dependiendo de el material) recuperará algo de su forma. Si sigo aumentando el esfuerzo se romperá el material. El esfuerzo a la rotura está sometido a 4 clases diferentes:
-Tracción
-Compresión
-Torsión
-Cortadura

TENACIDAD: la capacidad que tienen los materiales de absorber energía antes de romperse.

FRAGILIDAD: lo contrario a la tenacidad, es decir, cuando un material rompe sin deformarse.

RESILENCIA: no es una propiedad, sino que es un ensayo que mide la tenacidad: es la cantidad de energía que es capaz de absorber un material antes de romperse de un golpe. Para entender el comportamiento de los materiales se realizan ensayos. Uno de los más importantes es el de tracción.

problemas energía nuclear

Ejercicio nº1



La plata natural está constituida por una mezcla de dos isótopos cuyos números másicos son 107 y 109. Sabiendo que la abundancia isotópica es: isótopo 107 > 56% ; isótopo 109 > 44%, deducid la masa atómica de la plata natural.



A= 107 x (56/100) + 109 x (44/100) = 107,88



Ejercicio nº2

En una reacción nuclear hay una pérdida de masa de 2x10(-6) gr.

¿Cuántos kw x h se liberan en el proceso? Si se producen 10(4) reacciones idénticas por minuto cuál será la potencia disponible.



x gr > E = Defe.m x c(2)

2 x 10(-6) gr = 2 x 10(-9) Kg 300.000km/s = 300.000.000 m/s

E = 1,8 x 10(8) J



1 Kw x h= 3.600.000 J

E/e=(1,8x10(8) J)/(3,6x10(6) J)= 50 kw x h



10(4) x(1,8x10(8))/60 s = 3 x 10(10) W



Ejercicio nº3



La fisión de un átomo de U 235 conlleva la pérdida de 3,57 x 10(-25) gr de materia. Calculad cuánta energía supone esta desintegración.



E=3,57 x 10(-28) Kg x (300.000.000 m/s)(2)= 3,213 x 10(-11) J



Ejercicio nº4



1 mol de sustancia contiene 6,023 x 10(23) átomos y su masa es igual al número másico del elemento. Calculad la energía (J y MeV)que libera la fisión de un gramo de U235. ¿A cuántas lámparas de 100 W podríamos alimentar en un día con esa energía?



E 1 mol= 3,213 x 10(-11) J x 6,023 x 10(23) átomos=

1,93 x 10 J por mol

masa de 1 mol = nº másico del elemento

1,93 x10(23)/235= 8,23 x 10(10) J/g de U235

1 gr > 8,23 x 10(10) J > 5,144 x 10(23) MeV

E =P x t = 100 W x 24 h = 2400 w x h =2,4 Kw x h =8,64 x 10(6) J

nºLámaras = 9525



Ejercicio nº5



¿Qué cantidad de carbón de poder calorífico 8.000 Kcal/Kg, es necesaria para igualar el poder energético de 1 gr de Uranio 235?¿Y de gasolina cuyo poder calorífico 10,500 Kcal/Kg?



8.000 Kcal/Kg x 4,18KJ/1Kcal = 33.400 KJ/Kg > pc. del carbón

8,23 x 10(10)J/g = 8,23 x 10(10) KJ/Kg

33.440 x m = 8,23 x10(10) J x 0,001 Kg

m = 2461,12 Kg



10.500 Kcal/Kg = 43.890 KJ/Kg > pc. de la gasolina

43.890 x m = 8,23 x10(10) x 0,001 Kg

m = 1875,14 Kg



Ejercicio nº6



En las centrales nucleares se aprvecha el 95% del calor generado. ¿Qué energía útil se puede extraer de la fisión de 1 gr de U 235?



E 100%(1 gr de U235) = 8,23 x10(10) J

8,23 x10(10) J/gr x 1 gr = 8,23 x 10(10) J

E útil 95%(1 gr de U235) = 7,8185 x 10(10) J



Ejercicio nº7



Calculad cuánto tiempo tarda en consumirse 1 gr de U235 en una central que desarrolla una potencia de un millón de KW.



P = E/t > t = E/P 1.000.000 Kw = 1.000.000.000 W

t = (7,8185 x10(10)J)/1x10(9)W = 78,185 seg



Ejercicio nº8



¿Qué cantidad de U 235 se consume al año?



1 año = 365 días = 8.760 horas = 525.600 min = 31.536.000 seg

78,185 seg > 1 gr

31.536.000 seg > x gr x = 31.536.000/78,185 = 403,35 Kg



Ejercicio nº9



Si el combustible de una reacción nuclear es uranio enriquecido con 5% de U235, ¿qué masa de combustible nuclear se consume al año?



403,35 Kg > 5% U 235 x = 7663,65 Kg

x > 95% Impureza y = 8060 Kg

y > 100% Total



Ejercicio nº10



Si consideramos que la potencia media contratada por un hogar es de 3 Kw, ¿a cuántas casas podrá alimentar una central de 1.000.000 Kw?



1.000.000 Kw/3 Kw = 333.333,333 casas



Ejercicio nº11



Una central nuclear consume al año 300 Kg de combustible, y solo el 0,087% de todo el combustible se transforma em energía térmica. El generador de vapor tiene un rendimiento del 90%, la turbina uno del 40% y el alternador uno del 75%. Calculad la energía en Kw x h al año.



100% > 300 Kg = 300.000 gr

0,087% > x gr

x = 261 gr > E = m x c(2) E = 0,261 Kg x (300.000.000 m/s)(2)

E = 2,349 x 10(16) J 1 kw x h = 3,6 x 10(6) J



x Kw x h > 2,349 x 10(16) J

1 Kw x h > 3,6 x10(6) J x = 6,525 x 10(9) Kw x h

6,525 x 10(9) x (Gen)90/100 x (Turb)40/100 x (Alter)75/100 = 1,76 x 10(9) Kw x h

en un año hay 1 año x 365 días/1 año x 24 h/1 día = 8.760 h

E = 1,76 x10(9) Kw x 8760 h = 1,54 x 10(13) Kw x h



Ejercicio nº12



Por término medio la fisión de un núcle de U235 es del orden de 200 MeV. Calcula la energía producida y la cantidad de calor al fisionar 1 gr de U235.



1eV = 1,6 x 10(-19) J

200 MeV = 3,2 x10(-11) J > E 1 mol = 3,2 x 10(-11) x 6,022 x10(23) =

1.923 x10(13) J/mol

1,93 x10(13) J/ 235 = 8,23 x10(10) J/g > 8,23 x10 (10) J x 1 cal/ 4,18 J = 1,962 x10(10) cal



Ejercicio nº13



En un central eléctrica de 400 MW, ¿cuánto tiempo podría estar funcionando con la energía de una bomba nuclear de 20 Megatones? 1 Megatón = 4,18 x 10(15) J

400 MW = 4 x 10(8) W > 4 x 10(8) J/s
20 Megatones = 8,36 x10(16)
P = E/t > t = E/P t = 8,36 x 10(16) J/4 x 10(8) J/s = 2,09 x 10(8)s = 6,627 años

problemas de los materiales

1. ¿Qué relación existe entre el peso específico y la densidad de un determinado material?

P. específico = Peso(masa · gravedad)/Volumen

Densidad = masa/Volumen

(masa · gravedad)/Volumen=P. específico

(masa/Volumen) · gravedad = P. específico

Densidad · gravedad = P. específico

2. ¿Cuál es el coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura el cobre, si este metal posee a 0º C una resistividad de 1,7 .10 -8 Ω . m y a 20ºC es de 1,72 . 10 -8 Ω . m.

Tº = 0º C → resistividad = 1.7 · 10(-8)

Tº = 20º C → resistividad = 1.72 · 10(-8)

resis = resis(inicial) · (1 + (delta de temp.) · (alfa))

1.7 · 10(-8) = 1.72 · 10(-8) · (1 + 20 · (alfa))

(alfa) = 5.81 · 10(-4)

*(alfa) = coeficiente de variación de la resistividad.

3. ¿Cuál será la longitud a 100 ºC de una barra que a 0 ºC mide 1 metro, si el coeficiente de dilatación lineal característico del material es 10 -4 ºC -1

L(final) = L(inicial) · (1 + (delta de Tº) · (alfa))

L(final) = 1metro · (1 + 100 · 10(-4))

L(final) = 1.01 metros

¿Cúal será la deformación unitaria que presenta un material en su límite elástico, si este es σe = 1MPa y su módulo de Young, E = 1 GPa.

rho(sub "e") = 1 MPa → rho = E · (f.e.m.i)

E = 1 GPa → (f.e.m.i.) = 1MPa / 1GPa = 10³ = 0.1%

4. Si para elevar 10 ºC la temperatura de 1Kg de una sustancia sólida (Ce=100 cal/kg. ºC), que se encuentra a la temperatura de fusión, es preciso comunicar 2 Kcal, ¿cuál será el calor latente de fusión de la sustancia?.

Q = m · Ce → Q = 1Kg (1000cal/Kg · ºC)

Q = m · L → Q = 1000cal · 1Kg · L → 2000cal - 1000cal/Kg = L →L = 1 Kcal/Kg

5. ¿Porqué no se oxida el oro?.

Porque es uno de los metales de mayor potencial de oxidación, es decir necesita mayor energía para oxidarse, no es el único, los metales llamados nobles tampoco se oxidan facilmente (platino, rodhio, rutenio), necesitas algo llamado agua regia (acido nítrico y ácido clorhídrico) para oxidarlos y disolverlos.
En cambio los metales como el hierro se oxidan en condiciones atmósfericas (el oxigeno del aire es suficiente para oxidarlo), al igual que el aluminio.
Hay metales como el sodio o el potasio que ni siquiera los puedes tener en estado metálico, ya que son muy faciles de oxidar

6. El diagrama de la fig inferior representa el resultado de un ensayo. se pide:





a)Tipo de ensayo.

b) Identificar los punto significativos del diagrama, indicando su significado y sus fases. Determinar el módulo de elasticidad del material.

c) Expresar su valor en unidades del sistema técnico.



7. Una barra cilíndrica de 300 mm de longitud 45 mm de diámetro está conformado con un acero que responde al diagrama y límites del problema anterior. Se somete a estiramiento por dos fuerzas unitarias, normales a sus superficies, de magnitud variable. Se pide:

a) El alargamiento y la longitud de la barra si las fuerzas unitarias son de :111.33 kN. La longitud si se descarga

11.33 Kn → Datos: l = 300m

ø = 45mm

ð = F/s → s = 159 · 10-³ m²

ð = 111.33/1.59 · 10-³ = 70 · 10-(6)Pa <>

ð = E · (f.e.m.i.) → 70 10-(6) Pa = (f.e.m.i.) · Tg ß → (f.e.m.i.) = 3.38 · 10-(4)

(f.e.m.i.) = (l-lo)/lo → 3.38 · 10-(4) = (l - 0.3) / 0.3 → l = 300.102 mm

b) El alargamiento y la longitud de la barra si las fuerzas unitarias son de :199 kN. La longitud si se descarga

199 KN

ð = F/s → ð = 199 · 10³ / 1.59 · 10-³ = 125 MPa > 89 MPa

"utilizamos el gráfico"

(f.e.m.i) = 8 · 10-(4)

(f.e.m.i.) = (l - lo) / lo → 6 · 10-(4) = ⌂l / 0.3 → ⌂l = 1.8 · 10-(4) → l = 300.18 mm

c) El alargamiento y la longitud de la barra si las fuerzas unitarias son de: 263 kN. la longitud si se descarga

ð = F / s → ð = 263 · 10³ / 1.59 · 10-³ = 165.4 MPa > 89 MPa

(f.e.m.i.) = 10-³ → (f.e.m.i.) = ⌂l / lo → 10-³ = ⌂l / 0.3 → ⌂l = 0.3 → l = 300.3 mm

d) La máxima fuerza que podrá soportar sin romperse

e) Si en las aplicacione prácticas se utiliza un coeficiente de seguridad de 1.8, determinar la fuerza máxima que podrá soportar la barra si sólo puede trabajar en la zona elástica.

Los datos necesarios para la resolución del problema pasan por tener los siguientes puntos significativos

Limite de proporcionalidad: 89 MPa

Límite elástico: 130 MPa

Resistencia a tracción: 262 MPa

Módulo de Young: 207 10 3 MPa



8. Una pieza maciza de caucho vulcanizado tiene las dimensiones primitivas y está sometida a los esfuerzos indicados en la fig inferior. Su módulo de elasticidad es de 5.10 4 MPa. Se pide:

9. Una pieza maciza de caucho vulcanizado tiene las dimensiones primitivas y está sometida a los esfuerzos indicados en la fig inferior. Su módulo de elasticidad es de 5.10 4 MPa. Se pide:

El alargamiento y la longitud de cada sección.

1

E = 5 · 10 (4)

ð = F / So → 40000 /(Pi) ·(50)² = 566.6 MPa

ð = E · (f.e.m.i.) → 566.6 = 5 · 10 (4) · (f.e.m.i.) → (f.e.m.i.) = 1.13 · 10-²

(f.e.m.i.) = ⌂l/lo → 1.13 · 10-² = (l - 200) / 200 → l = 202.26 m

10. Una barra cilíndrica de acero, con un límite elástico de 5000 Kp/cm2 se somete a una fuerza de tracción de 8500 Kp. Sabiendo que la longitud de la barra es de 400 mm y su módulo de elasticidad E=2,1 x 10 6 Kp/cm2, calcular el diámetro de la barra para que su alargamiento total no supere las 50 milésimas de mm.

Le = 5000 Kp / cm²

F = 8500 Kp

Long. = 400 mm

E = 2.1 · 10(6) Kp/cm²

ø = ?

(f.e.m.i.) = ⌂l / lo → (f.e.m.i.) = 1.25 · 10 -(4)

ð = F/So

ð = E · (f.e.m.i.)

ð = 2.1 · 10(6) · 1.25 · 10-(4) = 262.5 Kp/cm²

262.5 Kp/cm² = 8500 Kp/So → s = 32.38 cm²

s = (Pi) · r² → r = 3.21 cm

motor-generador

construccion de un aerogenerador casero

Problemas aerogeneradores

1.Determina la energía de una turbina sobre la que actúa un viento de 50 Km/h, sabiendo que el radio de las palas es de 4 m (el número de palas es de 3), si está funcionando durante 10 horas.

s = pi x R(2) > pi x 4(2)= 50,26 m (2)

50Km/h = 13,89m/s

P.el= 1/2 x Den. x s x v(3) x Ren.

P.el= 1/2 x 1,225 Kg/m(3) x 50,26 m(2) x (13,89(3)) m/s x 16/27 x 1=

4880,39 W

E = 48880,39 w x 10 h= 488.8 kw x h

2. En un parque eolico se han instalado 60 aeroturbinas, suponiendo que hubiese un viento de 50km/h duranta 180 dias al año, y que el diametro de sus palas es de 63m, determinar:

v= 13,89 m/s

a)potencia del viento

Pviento= 1/2 s x p x v(3)

Pviento= 1/2 ( pi x 63/2(2)m ) x 1,225Kg/m(3) x 13,89(3) m/s

Pviento= 5115399,82w= 5115,399Kw

b)potencia absorbida por cada uno de los aerogeneradores si el rendimiento es del 90%

Pe= Pviento x util x h

Pe= ( Pviento x 16/27 ) x 90%

Pe= 2728,21 Kw

c)energia generada por cada aerogenerador al año

E= P x t P= 2788,21Kw

t= 180 dias x 24h/1dia = 4320h

d)tiempo que se tarda en amortizar cada aerogenerador sabiendo que cada uno vale medio milón de euros si cada kw x h vale 9 céntimos

1kwh - 0,09euros Kwh - 500000euros x= 5555555,556Kw/h

e)energía total que se genera al año en el parque eólico

E= p x t t= E/t t= 5555555,556/2788,21 t= 0,47 años

E 1 generador= 117881,19 Kwh E 60 generadores= 707152871,4 Kwh

3. Determina la energía diaria que produce una aeroturbina sobre la que actua un viento de 50Km/h. Si contiene 3 palas de 4m de radio cada una. considerar la densidad= 0,928Kg/ m(3) CP= 0,4 Rendimiento= 80%

Pelectrica= 1/2 s x p x v(3) x CP x h

p electrica= 1/2 ( pi x 4 (2) x 0,920 kg/m(3) x 13,89(3) m/s x 0,4 , 80%

Pelectrica= 20000,67 w

E= p x t E= 480,02 kwh

4. Un aerogenerador está ubicado en una zona de vientos dominantes del noreste con una velocidad de 40Km/ h. El radio de de las palas es de 7m y CP=0,3. La densidad= 1,293Kg/m(3).

Vviento= 11,11 m/s

a) determinar la Ptotal de las palas.

Ptotal= 1/2 s x p x v(3)

Ptotal= 136977,8 w

b) determinar la Pelectrica generada.

Pelectrica= Ptotal x CP

Pelectrica= 40,94w

5. Un generador sitúa sus palas a una altura de 35m donde el viento sopla con un velocidad de 45Km/h. el radio es de 5m y CP= 0,4.

a) La P que se genera

Pe= Pviento util x h

Pe= 1/2 ( pi x 5(2) ) x 1,225 Kg/m(3) x 12,5(2) m/s x 0,41= 37582,53w

b) el radio de las elices para generar una P de 50 Kw

50000w= 1/2 ( pi x r(2) ) x 1,225Kg/m(3) x 12,5(3) m/s x 0,4 x 1

Radio= Raiz de 50000/1503,30 Radio= 5,77m

6. Calcula la P del viento por unidad de superficie cuando sopla a una velicidad de 36Km/h saviendo que la densidad= 1,2 Kg/m(3). Repite el mismo calculo para 20 m/s

a) Pviento= 1/2 s x p x v(2) 36Km/h x 1000/1km x 1h/3600s= 10m/s

Pviento/superficio= 1/2 x 1,2 Kg/m(3) x 10(3) m/s = 600w/m(3)

b) Pviento/superficie= 1/2 x 1,2 Kg/ m(3) x 20m/s (3) = 4800w/m(2)

7. Con que velocidad debe soplar el viento para poder obtener una P de 2000 w/Km(2). Si la velocidad del viento se redujese en un 10% en que porcentage se reduce la potencia? densidad= 1,293 Kg/m(3)

a) Pviento/s = 2000w/m(2) 2000w/m(2)=1/2 x 1,293 Kg/m(3) x v(3)

v= Raiz cubica de 3093,58 v= 14,57 m/s

b) 90/100 x 14,57 = 13,11 1/2 x 1,293 x 13,11(3)= Pviento/s= 14,58 w/m(2)