Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

choque térmico

El choque térmico es un tipo de estrés térmico causado por un cambio brusco de temperatura. Es un modo de falla común cuando un material caliente entra en contacto con uno frío,...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El choque térmico es un tipo de estrés térmico causado por un cambio brusco de temperatura. Es un modo de falla común cuando un material caliente entra en contacto con uno frío, como al verter agua hirviendo en un vaso frío, lo que provoca que se rompa. Las grandes diferencias de temperatura actúan como una carga mecánica , produciendo deformación en el material. Esta carga se debe a que las distintas partes del material se expanden de forma diferente a sus respectivas temperaturas, lo que genera una deformación interna. Cuando la deformación supera la resistencia a la tracción del material, se produce una falla mecánica que puede derivar en fractura y, potencialmente, en falla estructural.

Efecto sobre los materiales

El vidrio de borosilicato está diseñado para soportar mejor los choques térmicos que la mayoría de los demás vidrios gracias a una combinación de un coeficiente de expansión reducido y una mayor resistencia, aunque el cuarzo fundido lo supera en ambos aspectos. Algunos materiales vitrocerámicos (principalmente en el sistema de aluminosilicato de litio (LAS) [ 1 ] ) incluyen una proporción controlada de material con un coeficiente de expansión negativo, de modo que el coeficiente global puede reducirse a casi cero en un rango de temperaturas razonablemente amplio.

Entre los mejores materiales termomecánicos se encuentran la alúmina , la zirconia , las aleaciones de tungsteno , el nitruro de silicio , el carburo de silicio , el carburo de boro y algunos aceros inoxidables .

El carbono-carbono reforzado es extremadamente resistente al choque térmico, debido a la altísima conductividad térmica y el bajo coeficiente de expansión del grafito , la alta resistencia de la fibra de carbono y una capacidad razonable para desviar las grietas dentro de la estructura.

Para medir el choque térmico, la técnica de excitación por impulso ha demostrado ser una herramienta útil. Permite medir el módulo de Young, el módulo de cizalladura , el coeficiente de Poisson y el coeficiente de amortiguación de forma no destructiva. La misma muestra puede medirse tras diferentes ciclos de choque térmico, lo que permite identificar el deterioro de sus propiedades físicas.

Prevención

Los métodos para prevenir el choque térmico incluyen: [ 2 ]

Resistencia al choque térmico

La resistencia al choque térmico,ΔTs{\displaystyle \Delta T_{s}}, es la diferencia de temperatura máxima a la que un material puede enfriarse rápidamente sin sufrir daños. [ 3 ] [ 4 ]

Resistencia al choque térmico controlada por fuerza

La resistencia al choque térmico se utiliza para la selección de materiales en aplicaciones sujetas a cambios rápidos de temperatura. El salto máximo de temperatura,ΔT{\displaystyle \Delta T}, sostenible por un material puede aproximarse para modelos controlados por resistencia mediante: [ 3 ] [ 4 ]BΔT=σFαmi{\displaystyle B\Delta T={\frac {\sigma _{f}}{\alpha E}}} dóndeσF{\displaystyle \sigma _{f}}es la tensión de falla (que puede ser la tensión de fluencia o la tensión de fractura ),α{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de expansión térmica,mi{\displaystyle E}es el módulo de Young, yB{\displaystyle B}es una constante que depende de las restricciones de la pieza, las propiedades del material y el espesor.

B=Ado{\displaystyle B={\frac {A}{C}}} dóndedo{\displaystyle C}es una constante de restricción del sistema que depende del coeficiente de Poisson,ν{\displaystyle \nu }, yA{\displaystyle A}es un parámetro adimensional que depende del número de Biot ,Bi{\displaystyle \mathrm {Bi} }.

do={1tensión axial(1−ν)restricción biaxial(1−2ν)restricción triaxial{\displaystyle C={\begin{cases}1&{\text{tensión axial}}\\(1-\nu )&{\text{restricción biaxial}}\\(1-2\nu )&{\text{restricción triaxial}}\end{cases}}}

A{\displaystyle A}puede aproximarse mediante: A=Hh/k1+Hh/k=Bi1+Bi{\displaystyle A={\frac {Hh/k}{1+Hh/k}}={\frac {\mathrm {Bi} }{1+\mathrm {Bi} }}} dóndeH{\displaystyle H}es el grosor,h{\displaystyle h}es el coeficiente de transferencia de calor yk{\displaystyle k}es la conductividad térmica .

Transferencia de calor perfecta

Si la transferencia de calor es perfecta (Bi=∞{\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }) se supone, la transferencia de calor máxima soportada por el material es: [ 4 ] [ 5 ]ΔT=A1σFmiα{\displaystyle \Delta T=A_{1}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}dónde,

  • A1≈1{\displaystyle A_{1}\approx 1}para choque térmico en placas
  • A1≈3.2{\displaystyle A_{1}\approx 3.2}para choque térmico en placas

Por lo tanto, un índice de material para la selección de materiales según la resistencia al choque térmico en el caso de transferencia de calor perfecta derivada de la tensión de fractura es: σFmiα{\displaystyle {\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}}

Transferencia de calor deficiente

Para casos con mala transferencia de calor (Bi<1{\displaystyle \mathrm {Bi} <1}), el diferencial de calor máximo soportado por el material es: [ 4 ] [ 5 ]ΔT=A2σFmiα1Bi=A2σFmiαkhH{\displaystyle \Delta T=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {1}{\mathrm {Bi} }}=A_{2}{\frac {\sigma _{f}}{E\alpha }}{\frac {k}{hH}}}dónde,

  • A2≈3.2{\displaystyle A_{2}\approx 3.2}para el choque por frío
  • A2≈6.5{\displaystyle A_{2}\approx 6.5}para choque caliente

En el caso de una transferencia de calor deficiente, una mayor conductividad térmica resulta beneficiosa para la resistencia al choque térmico. El índice del material para el caso de una transferencia de calor deficiente se suele tomar como: kσFmiα{\displaystyle {\frac {k\sigma _{f}}{E\alpha }}}Según ambos modelos de transferencia de calor, tanto el ideal como el deficiente, se pueden tolerar mayores diferencias de temperatura en caso de choque térmico por calor que en caso de choque térmico por frío.

Resistencia al choque térmico controlada por tenacidad a la fractura

Además de la resistencia al choque térmico definida por la resistencia a la fractura del material, también se han definido modelos dentro del marco de la mecánica de la fractura . Lu y Fleck produjeron criterios para el agrietamiento por choque térmico basados ​​en el agrietamiento controlado por la tenacidad a la fractura . Los modelos se basaron en el choque térmico en cerámicas (materiales generalmente frágiles). Suponiendo una placa infinita y agrietamiento de modo I , se predijo que la grieta comenzaría en el borde para el choque frío, pero en el centro de la placa para el choque caliente. [ 4 ] Los casos se dividieron en transferencia de calor perfecta y deficiente para simplificar aún más los modelos.

Transferencia de calor perfecta

El salto de temperatura sostenible disminuye con el aumento de la transferencia de calor convectiva (y, por lo tanto, con un número de Biot mayor). Esto se representa en el modelo que se muestra a continuación para una transferencia de calor perfecta (Bi=∞{\displaystyle \mathrm {Bi} =\infty }). [ 4 ] [ 5 ]

ΔT=A3KIdomiαπH{\displaystyle \Delta T=A_{3}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}} dóndeKIdo{\displaystyle K_{Ic}}es la tenacidad a la fractura en modo I ,mi{\displaystyle E}es el módulo de Young,α{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de expansión térmica, yH{\displaystyle H}es la mitad del grosor de la placa.

  • A3≈4.5{\displaystyle A_{3}\approx 4.5}para el choque por frío
  • A4≈5.6{\displaystyle A_{4}\approx 5.6}para choque caliente

Por lo tanto, un índice de material para la selección de materiales en el caso de transferencia de calor perfecta derivada de la mecánica de fractura es: KIdomiα{\displaystyle {\frac {K_{Ic}}{E\alpha }}}

Transferencia de calor deficiente

En casos con transferencia de calor deficiente, el número de Biot es un factor importante en el salto de temperatura sostenible. [ 4 ] [ 5 ]

ΔT=A4KIdomiαπHkhH{\displaystyle \Delta T=A_{4}{\frac {K_{Ic}}{E\alpha {\sqrt {\pi H}}}}{\frac {k}{hH}}}

Fundamentalmente, en casos de transferencia de calor deficiente, los materiales con mayor conductividad térmica, k , presentan mayor resistencia al choque térmico. En consecuencia, un índice de material comúnmente elegido para la resistencia al choque térmico en el caso de transferencia de calor deficiente es: kKIdomiα{\displaystyle {\frac {kK_{Ic}}{E\alpha }}}

Métodos de choque térmico de Kingery

La diferencia de temperatura para iniciar la fractura ha sido descrita por William David Kingery como: [ 6 ] [ 7 ]ΔTdo=Skσ∗(1−ν)miα1h=ShR′{\displaystyle \Delta T_{c}=S{\frac {k\sigma ^{*}(1-\nu )}{E\alpha }}{\frac {1}{h}}={\frac {S}{hR^{'}}}} dóndeS{\displaystyle S}es un factor de forma,σ∗{\displaystyle \sigma ^{*}}es la tensión de fractura,k{\displaystyle k}es la conductividad térmica,mi{\displaystyle E}es el módulo de Young,α{\displaystyle \alpha }es el coeficiente de expansión térmica,h{\displaystyle h}es el coeficiente de transferencia de calor, yR′{\displaystyle R'}es un parámetro de resistencia a la fractura. El parámetro de resistencia a la fractura es una métrica común utilizada para definir la tolerancia al choque térmico de los materiales. [ 2 ]

R′=kσ∗(1−v)miα{\displaystyle R'={\frac {k\sigma ^{*}(1-v)}{E\alpha }}}

Las fórmulas se derivaron para materiales cerámicos y parten de la suposición de un cuerpo homogéneo con propiedades del material independientes de la temperatura, pero pueden aplicarse bien a otros materiales frágiles. [ 7 ]

Pruebas

Las pruebas de choque térmico exponen los productos a temperaturas alternas bajas y altas para acelerar las fallas causadas por ciclos de temperatura o choques térmicos durante el uso normal. La transición entre temperaturas extremas ocurre muy rápidamente, a más de 15  °C por minuto.

Para realizar pruebas de choque térmico se suelen utilizar equipos con una o varias cámaras. En los equipos de choque térmico de una sola cámara, los productos permanecen en una cámara y la temperatura del aire dentro de ella se enfría y calienta rápidamente. Algunos equipos utilizan cámaras calientes y frías separadas con un mecanismo elevador que transporta los productos entre dos o más cámaras.

Los recipientes de vidrio pueden ser sensibles a los cambios bruscos de temperatura. Un método de prueba consiste en pasar rápidamente de baños de agua fría a caliente y viceversa. [ 8 ]

Ejemplos de fallos por choque térmico

  • Antiguamente , las rocas duras que contenían vetas de mineral, como la cuarcita , se fracturaban mediante la técnica de fracturación hidráulica , que consistía en calentar la superficie de la roca con fuego de leña y luego enfriarla con agua para inducir la formación de grietas. Diodoro Sículo describe este método en sus Minas de oro egipcias , así como Plinio el Viejo y Georg Agrícola . [ 9 ]
  • Los cubitos de hielo colocados en un vaso de agua tibia se agrietan por choque térmico, ya que la superficie exterior aumenta de temperatura mucho más rápido que la interior. La capa exterior se expande al calentarse, mientras que el interior permanece prácticamente inalterado. Este rápido cambio de volumen entre las distintas capas crea tensiones en el hielo que se acumulan hasta que la fuerza supera la resistencia del hielo y se forma una grieta, a veces con la fuerza suficiente para lanzar fragmentos de hielo fuera del recipiente. [ 10 ]
  • Las bombillas incandescentes que han estado encendidas durante un tiempo tienen una superficie muy caliente. Si se les salpica agua fría, el cristal puede romperse debido al choque térmico y la bombilla puede implosionar. [ 11 ]
  • Una estufa antigua de hierro fundido es una sencilla caja de hierro con patas y una tapa del mismo material. Dentro de la caja se enciende un fuego de leña o carbón y se cocinan los alimentos en la superficie exterior superior, como en una plancha. Si el fuego se calienta demasiado y luego se enfría la estufa vertiendo agua sobre la superficie superior, esta se agrietará debido al choque térmico.
  • Se cree que el fuerte gradiente de temperatura (debido a la extinción del fuego con agua) causó la rotura de la tercera Campana del Zar . [ 12 ]
  • El choque térmico es un factor principal que contribuye a la falla de la junta de culata en los motores de combustión interna. [ 13 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Patente estadounidense 6066585 , Scott L. Swartz, "Cerámicas con coeficiente de expansión térmica negativo, método para fabricar dichas cerámicas y piezas hechas de dichas cerámicas", emitida el 23 de mayo de 2000, asignada a Emerson Electric Co. 
  2. 1 2 Askeland, Donald R.; Wright, Wendelin J. (enero de 2015). "22-4 Choque térmico". La ciencia y la ingeniería de los materiales (séptima  ed.). Boston, MA. págs. 792–793 . ISBN  978-1-305-07676-1OCLC 903959750​​ {{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )
  3. 1 2 Ashby, MF (1999). Selección de materiales en el diseño mecánico (2.ª ed.). Oxford, OX: Butterworth-Heinemann. ISBN  0-7506-4357-9OCLC 49708474​​ 
  4. 1 2 3 4 5 6 7 Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10.2 Selección de materiales para la resistencia al choque térmico". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8OCLC 300921090​​ 
  5. 1 2 3 4 T. J. Lu; NA Fleck (1998). "La resistencia al choque térmico de los sólidos" (PDF) . Acta Materialia . 46 (13): 4755– 4768. Bibcode : 1998AcMat..46.4755L . doi : 10.1016/S1359-6454(98)00127-X .
  6. ↑ KINGERY, WD (enero de 1955). "Factores que afectan la resistencia a la tensión térmica de los materiales cerámicos". Journal of the American Ceramic Society . 38 (1): 3– 15. doi : 10.1111/j.1151-2916.1955.tb14545.x . ISSN 0002-7820 . 
  7. 1 2 Soboyejo, Wole O. (2003). "12.10 Respuesta al choque térmico". Propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8OCLC 300921090​​ 
  8. ↑ ASTM C149 — Método de prueba estándar para la resistencia al choque térmico de envases de vidrio
  9. ↑ Weisgerber, Gerd; Willies, Lynn (2000). "El uso del fuego en la minería prehistórica y antigua : la ignición" . Paléorient . 26 (2): 131– 149. ISSN 0153-9345 .  
  10. ↑ King, WD; Fletcher, NH (enero de 1976). "Choque térmico como mecanismo de multiplicación de hielo. Parte II. Experimental" . Journal of the Atmospheric Sciences . 33 (1): 97–102 . doi : 10.1175/1520-0469(1976)033 < 0097:TSAAIM > 2.0.CO ; 2. ISSN 0022-4928 . 
  11. ↑ "Característica corriente-voltaje de una bombilla: colección de experimentos" . physicsexperiments.eu . Archivado del original el 1 de diciembre de 2024. Consultado el 27 de agosto de 2025. Primero , calentamos el casquillo de la bombilla de vidrio durante varios segundos con un mechero. Luego, sumergimos la bombilla en agua fría. El choque térmico provoca que la bombilla se agriete y se separe del casquillo.
  12. ↑ Lerner, YS; Rao, PN (2013). Principios y técnicas de fundición de metales (PDF) .
  13. ↑ Payton, Scott (11 de agosto de 2023). "Choque térmico dentro del sistema de refrigeración y cómo afecta a las juntas" . MotoRad . Consultado el 9 de marzo de 2025 .
Lecturas relacionadas
6 articulos
estrés térmicoestrés térmicoEn mecánica y termodinámica , la tensión térmica es la tensión mecánica generada por cualquier cambio de temperatura en un material. Estas tensione...Carga mecánicaCarga mecánicaLa carga mecánica es la tensión física que sufre un sistema o componente mecánico [1] y que genera deformación . Las cargas pueden ser estáticas o ...{\estilo de visualización 1}Deformación (mecánica)En mecánica , la deformación se define como una deformación relativa , en comparación con una configuración de posición de referencia . Se pueden h...Resistencia máxima a la tracciónResistencia máxima a la tracciónLa resistencia máxima a la tracción (también llamada UTS , resistencia a la tracción , TS , resistencia última o en notación) [1] es la tensión máx...Vidrio de borosilicatoVidrio de borosilicatoEl vidrio de borosilicato es un tipo de vidrio cuyos principales componentes formadores de vidrio son sílice y trióxido de boro . Los vidrios de bo...Cuarzo fundidoCuarzo fundidoEsta esfera de cuarzo fundido fue fabricada para su uso en un giroscopio en el experimento Gravity Probe B. Es una de las esferas más precisas jamá...