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Propiedades masivas de la materia
Cuando los átomos o las moléculas se unen, su comportamiento cambia. Las características mecánicas, que surgen del modo en que las moléculas o los átomos responden a las fuerzas o a los intercambios de energía cuando se unen, se conocen como propiedades de la masa.
Un ejemplo de propiedades mecánicas en los sólidos es cuando extiendes una goma elástica o rayas un diamante.
Una goma elástica está formada por moléculas que forman largas cadenas denominadas polímeros. Las cadenas están enredadas y desordenadas, como muestra la figura siguiente.
Las largas cadenas, conocidas como polímeros, que forman una goma elástica, están enredadas cuando no actúa ninguna fuerza para tensar la goma.
Cuando se estiran, las cadenas se expanden, permitiendo que la goma elástica aumente su longitud sin romperse. En este caso, la fuerza aplicada desenreda las cadenas, como se muestra en la siguiente figura.
Cuando la goma elástica se tensa, las cadenas que la forman se alargan y se reordenan
Las cadenas pueden resistir cierta cantidad de fuerza sin romperse ni deformarse. Si la fuerza aplicada a la goma elástica es lo suficientemente pequeña como para no deformarla permanentemente, volverá a su longitud inicial.
He aquí otro ejemplo:
Los átomos de carbono tienen cuatro electrones en su capa exterior. Estos electrones pueden enlazarse libremente con otros elementos. En el caso del diamante, los átomos de carbono comparten estos electrones con los demás átomos de carbono.
Cuando el carbono se somete a grandes presiones y temperaturas, se comprime hasta que los átomos forman un cristal. El resultado es, pues, una estructura cristalina compacta sin electrones libres, lo que hace que el diamante sea muy duro e incluso le confiere la capacidad de no reaccionar a los ácidos.
Algunas propiedades importantes a granel son
- Dureza.
- Conductividad eléctrica.
- Conductividad térmica.
- Elasticidad.
- Densidad.
- Resistencia a la tracción.
Propiedades aparentes de la materia en mecánica
Algunas propiedades a granel están específicamente relacionadas con el comportamiento mecánico de un material. La dureza y la elasticidad son dos ejemplos. Es importante tener en cuenta estas características, ya que necesitamos conocer las respuestas mecánicas de los materiales a las fuerzas y cargas. Por ejemplo, algunos materiales tienen que ser flexibles, para que no se rompan al deformarse, como la montura de tus gafas. Otras características importantes que nos ayudan a clasificar los materiales son su densidad, su resistencia a la tracción y su módulo aparente.
Las características de los materiales derivan en parte del enlace químico entre las partículas. En la materia sólida, los metales tienen enlaces metálicos, los polímeros suelen tener enlaces covalentes y las cerámicas enlaces iónicos.
El tipo de enlace en la materia dicta no sólo las características mecánicas del material, sino también su disposición estructural. Puedes pensar en ello como en un muelle entre átomos. Los muelles que unen átomos metálicos son más rígidos que los que unen una goma elástica.
La elasticidad de un material puede representarse utilizando la analogía de los muelles entre los elementos que lo componen. Cada material presenta muelles con diferente rigidez
Las moléculas de una goma elástica están formadas por largas cadenas enredadas. Cuando una fuerza tira de ellas, su disposición cambia y se alargan.
Cuando una goma elástica se tensa, sus moléculas se desenredan, permitiendo que la goma se expanda.
La principal diferencia entre una goma elástica y los diamantes o los metales es que estos dos últimos tienen una estructura apretada y lineal que no les permite alargarse mucho.
El tipo de enlace también puede influir en otras propiedades a granel, como el punto de fusión. Los materiales con enlaces iónicos, covalentes o metálicos tienen puntos de fusión más altos, mientras que los enlaces de hidrógeno, como los de van der Waals, tienen puntos de fusión más bajos.
Elasticidad
La elasticidad es la capacidad de un material de alargarse cuando se le aplica una fuerza y recuperar su forma original cuando se le retira la fuerza. La elasticidad es una característica importante en la ciencia y la industria, donde se necesitan materiales elásticos para determinados tipos de trabajo y aplicaciones. Un ejemplo son los materiales utilizados en los airbags, que durante un choque deben resistir fuertes impactos y rápidas deformaciones manteniéndose unidos.
La elasticidad de un material se mide en pascales. Para realizar la medición, se necesita un ensayo mecánico, que suele realizarse alargando un material mediante una fuerza "F", como se muestra en la imagen siguiente.
Las propiedades de los materiales, como la elasticidad, pueden medirse realizando ensayos mecánicos, en los que los objetos se exponen a fuerzas que los elongan. El alargamiento provoca una deformación δl por una fuerza F
El material sufre una "tensión mecánica" y cambia su longitud. Después vuelve a su longitud original mientras no haya sobrepasado su "límite elástico". Cuanta más fuerza pueda resistir el material sin deformarse, más elástico será. Una propiedad importante de los materiales elásticos se conoce como módulo de Young, que se mide en pascales.
Módulo de Young
El módulo de Young puede describirse como la proporción entre la deformación de un material y la tensión mecánica a la que está sometido. Mira el gráfico de tensión vs deformación que aparece a continuación.
La línea roja de la figura indica que la tensión y la deformación son proporcionales entre sí. En la zona denominada "zona elástica", el material recuperará su forma original después de haber sido deformado. La pendiente de la línea roja se conoce como módulo elástico o módulo de Young. Es diferente para los distintos materiales, como se muestra en la tabla siguiente.
| Material | Módulo de Young (GPa) |
| Poliestireno | 3-3.5 |
| Aluminio | 68 |
| Vidrio | 50-90 |
| Cobre | 117 |
| Diamante | 1220 |
Para obtener el módulo de Young a partir de un diagrama de tensión y deformación, necesitamos calcular la pendiente de la curva en la zona elástica. Esto puede hacerse fácilmente mediante la fórmula siguiente, si conoces dos puntos de la curva tensión-deformación.
\Módulo = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} = \frac{\sigma_2-\sigma_1}{\varepsilon_2-\varepsilon_1} = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \varepsilon}].
La tensión de tracción σ se define como la fuerza aplicada para deformar el material dividida por el área transversal del material, mientras que la deformación de tracción ε es el aumento de longitud dividido por la longitud original. Puedes ver esto en las fórmulas siguientes.
\[\sigma = \frac{F}{A}\]
\[\varepsilon = \frac{\delta I}{I}]
Un metal, es decir, una barra con el área A, se somete a un ensayo de tracción. La fuerza aplicada aumenta, produciendo un alargamiento en la zona elástica del material. Los datos recogidos se muestran en la tabla siguiente. Halla el módulo de Young de este metal si el área de la barra es de 4,2∙10-8 metros cuadrados con una longitud inicial de 2 metros.
| Fuerza (N) | Extensión (mm) |
| 0 | 0 |
| 1 | 0.365 |
| 2 | 0.73 |
| 2.9 | 1.45 |
| 4 | 2 |
\[\sigma = \frac{F}{A} = \frac{2,9 N}{4,2 \cdot 10^{-8} m^2} = 6,9 \cdot 10^7 Pa\].
Para F = 0, tu resultado será 0. Ahora calculamos el alargamiento de la barra.\[\varepsilon = \frac{1,45 \cdot 10^{-3}}{2} = 7,25 \cdot 10^{-4} m\]
Para nuestro primer punto, el resultado volverá a ser 0. Por último, dividimos ambos.\[Módulo = \frac{\sigma}{varepsilon} = \frac{6,9 \cdot 10^7 Pa} {7,25 \cdot 10^{-4}} = 9,517 \cdot 10^{10}} Pa. Pa \aproximadamente 9,52 \cdot 10^{10} Pa\]
Ley de Hooke
La zona elástica de un material puede modelizarse mediante la ley de Hooke. En este caso, resulta útil una analogía. La fuerza aplicada al material es análoga a un peso arrastrado por la gravedad, y la elasticidad del material es un muelle deformado por el peso.
En este caso, la fuerza es proporcional al alargamiento y a la constante k del muelle.
Plasticidad
Cuando los materiales se alargan más allá de su zona elástica, entran en su zona plástica, que indica la zona en la que los materiales empiezan a deformarse irreversiblemente a medida que la fuerza sigue tirando de ellos. Véase la línea azul en la siguiente imagen.
Un material en un ensayo de tracción presenta una deformación (deformación) que depende de la fuerza aplicada (tensión mecánica). La zona en la que la relación entre el esfuerzo de tracción y la deformación por tracción deja de ser lineal se conoce como zona plástica
La zona plástica comienza donde la proporción entre el esfuerzo de tracción y la deformación por tracción deja de ser lineal.
Dureza
La dureza, medida en pascales, es la propiedad de los materiales de resistir la penetración o los arañazos. Para muchos materiales, la elasticidad es inversamente proporcional a la dureza. Las moléculas y átomos que permiten que un material se alargue también permiten que una fuerza aplicada a una pequeña porción de la superficie penetre en el material. Los materiales con poca elasticidad, como los metales y los diamantes, no son elásticos, ya que la fuerza de sus enlaces y estructuras resiste la penetración de una fuerza que intente empujarlos.
Densidad
La densidad, que se define como la cantidad de masa existente en una unidad de volumen, es otra propiedad importante de los materiales. La densidad suele medirse en unidades SI como kilogramos por metro cúbico. La densidad de un material varía en función de dos factores:
- La estructura atómica del material.
- El elemento del que está compuesto.
Es bien sabido que los elementos más pesados pesan más. Sin embargo, la estructura atómica también desempeña un papel importante en la densidad. Los átomos de elementos más ligeros que están muy empaquetados son más densos que los átomos de elementos más pesados con una estructura atómica que incorpora más espacio.
La estructura de un diamante está formada por átomos de carbono con un peso de 12,01 unidades de masa atómica, mientras que el titanio pesa 47,867 unidades de masa atómica. El peso del carbono es casi cuatro veces menor que el del átomo de titanio.
Sin embargo, la estructura de un diamante está mucho más densamente empaquetada, y la densidad media de los diamantes puede rondar los 3520 kilogramos por metro cúbico. El titanio, en cambio, tiene una densidad de unos 4420 kilogramos por metro cúbico.
Aunque la diferencia entre las masas del titanio y del carbono es bastante grande, la densidad del titanio es sólo un 25,6% superior a la del carbono.
Propiedades a granel de los sólidos - Puntos clave
- Las propiedades a granel son propiedades mecánicas que surgen de los átomos o moléculas que actúan juntos después de unirse.
- Algunas propiedades a granel importantes son la elasticidad, la resistencia a la tracción, la densidad, la dureza, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica.
- La elasticidad y la dureza describen, respectivamente, cómo se pueden deformar los cuerpos y volver a su forma original (elasticidad) y lo fácil que es penetrarlos o rayarlos (dureza).
- El límite elástico es el punto en el que un material empieza a deformarse de forma que ya no puede volver a su forma original.
- Cuando el material sale de su zona elástica, entra en su zona plástica, donde se deforma irreversiblemente.
- El módulo de Young describe la relación entre la tensión mecánica y la deformación del material.
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