Capacidad calorífica de la alúmina

La capacidad calorífica se refiere a la energía necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de una sustancia y se mide en julios por kilogramo de material.

CoorsTek ofrece numerosos productos de alúmina con una excepcional resistencia al choque térmico. Macor es un material avanzado que ofrece un rendimiento excepcional en condiciones de temperatura más elevadas.

Temperatura

La capacidad calorífica se refiere a la energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia un grado centígrado y también puede expresarse como su capacidad calorífica específica, o energía por unidad de masa de sustancia. Los metales suelen tener una capacidad calorífica específica superior a la de los polímeros o los materiales cerámicos y suelen tener grandes puntos de fusión con una dilatación térmica mínima, características que los hacen adecuados para muchos usos industriales.

La alúmina tiene un calor específico aproximado de unos 900 J/kg C, superior al de muchos metales como el cobre y la plata, debido a que sus átomos, densamente empaquetados, facilitan la conducción. En cambio, su calor específico es inferior al de muchos minerales como la arena o la piedra caliza, ya que sus átomos menos empaquetados dificultan la transferencia de calor.

La alúmina es un aislante y puede ayudar a reducir la temperatura en cualquier zona de trabajo; sin embargo, para utilizarla de forma segura debe manipularse con cuidado y adoptar las precauciones de seguridad y el equipo adecuados. Cuando se coloque cerca de superficies calientes, debe mantenerse lejos de ellas para proteger a los usuarios y nunca debe tocarse ningún elemento calefactor cuando esté encendido; en caso de quemaduras en la piel, debe enjuagarse inmediatamente con agua fría para ayudar a calmar las zonas afectadas.

Numerosos factores influyen en el calor específico de la alúmina, entre ellos la fracción de fase g y la porosidad. Con el aumento de la temperatura, su calor específico disminuye, lo que provoca una disminución de la conductividad térmica y la difusividad como resultado de la transformación de fase entre las fases a y g.

Dado que el calor específico de la alúmina depende de su temperatura de calcinación, varios grupos de investigación han realizado estudios con muestras calcinadas a distintas temperaturas para explorar cómo afecta la temperatura a sus propiedades térmicas y, en última instancia, al calor específico de la alúmina y a otros parámetros termodinámicos. Como resultado, varios grupos de investigación han realizado amplias investigaciones sobre muestras calcinadas a diversas temperaturas para comprender mejor su influencia en las propiedades térmicas y el calor específico. Esto ha permitido comprender mejor el efecto de la temperatura sobre el calor específico y otros parámetros termodinámicos del calor específico y otros parámetros termodinámicos en general.

Presión

La alúmina (Al2O3) es un material cerámico de ingeniería muy utilizado por sus excelentes prestaciones a un coste asequible. La alúmina presenta una excelente resistencia mecánica, a la compresión, a la corrosión y al desgaste, así como bajos índices de dilatación térmica; además, es químicamente inerte y biocompatible, con bajos índices de dilatación térmica. La capacidad calorífica específica de la alúmina significa que absorbe grandes cantidades de energía a cualquier temperatura; además, tiene una conductividad térmica relativamente alta, de 30 a 35 W/mK, lo que la hace adecuada para múltiples usos en la industria.

La capacidad calorífica específica de la alúmina depende de su temperatura, presión y número de átomos por unidad de volumen. La fórmula de su capacidad calorífica específica puede expresarse como Cp = H/N, donde H es el calor latente de vaporización, N es el número de átomos de la muestra y T su temperatura; utilizando este enfoque, el modelo de Debye estima su calor específico a volumen y temperatura constantes.

Comparable al hielo hexagonal, la alúmina tiene una menor capacidad para absorber agua a temperaturas más elevadas debido a la superficie más rugosa y a los mayores espacios intersticiales de sus iones que los que se encuentran en el hielo hexagonal, tardando más tiempo en difundirse desde su interior hacia su superficie y luego de nuevo hacia el exterior. Sin embargo, a temperaturas inferiores a la temperatura de descomposición de la alúmina, el agua puede absorberse rápidamente en sus poros.

Para determinar la capacidad calorífica específica de la alúmina, lo mejor es utilizar un calentador eléctrico de inmersión. Para ello, coloca un termómetro en el orificio central de un bloque, conéctalo a un amperímetro y un voltímetro, enciende el calentador, deja que caliente el bloque durante 10 minutos y, a continuación, mide su temperatura y anota los resultados; utiliza la ecuación Cp = H/N para calcular la capacidad calorífica específica del material.

La adición de nanopartículas puede aumentar la conductividad térmica de los fluidos, pero no se ha llegado a un consenso sobre su efecto en sus capacidades caloríficas específicas. En consecuencia, los ingenieros deberían estudiar cómo cambia la capacidad calorífica específica de la alúmina con la temperatura para diseñar sistemas que funcionen eficazmente en diversas circunstancias y disminuyan los riesgos de gradiente de temperatura en aplicaciones de refrigeración/calefacción.

Porosidad

La alúmina es un material cerámico con una elevada capacidad calorífica específica. Su estabilidad química y térmica hace que se utilice popularmente en todas las industrias, mientras que su resistencia a muchos productos químicos y reactivos la hace resistente. La alúmina también posee una excelente conductividad térmica que la hace adecuada para aplicaciones de aislamiento; su conductividad depende de factores de microestructura y porosidad, ya que una gran fracción de fase g con menor porosidad tiene mayor capacidad calorífica específica que otras; por consiguiente, es esencial determinar su temperatura de sinterización antes de utilizarla en cualquier aplicación o proyecto.

Los recubrimientos de alúmina pulverizados con plasma de aire (APS) son ampliamente reconocidos por su resistencia a los ciclos térmicos de baja temperatura, pero son susceptibles a la delaminación y a la propagación de grietas debido a sus complejas estructuras y a la rugosidad de la interfaz. Muchos estudios han investigado estos aspectos; sin embargo, la mayoría se han centrado en muestras planas o en rugosidades modeladas matemáticamente en lugar de en morfologías de recubrimiento reales.

Este estudio investiga el impacto de varias temperaturas de sinterización sobre la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica de dos grados comerciales de alúmina con densidad aparente variable, utilizando dos grados comerciales como casos de estudio. Los resultados de la caracterización demuestran una fuerte relación entre la capacidad de almacenamiento de energía y la fracción de contenido de fase g, además de la porosidad, para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía y las propiedades mecánicas de la alúmina.

A 900 ºC, se ensayaron muestras de alúmina con diferentes proporciones y densidades de fases g y porosidades para evaluar su rendimiento. Aquellas con mayores proporciones de fases g y menores porosidades mostraron menores capacidades caloríficas específicas basadas en la masa, así como conductividades térmicas que aquellas con menor fracción de fases g y mayores porosidades.

Este estudio se propuso crear alúmina de alta porosidad utilizando el método de gelificación de lodos (GS). Los resultados demostraron que las espumas de alúmina producidas tenían un tamaño medio de poro de 1,2 mm a pesar de ser células cerradas; en la figura 4 se muestra una fotografía de la estructura celular para diferentes densidades aparentes. Para determinar este tamaño medio de los poros, se realizaron mediciones del grosor y el diámetro de las paredes.

Reactividad

La alúmina (también denominada aluminia) es un óxido cerámico con excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y mecánicas, como dureza y resistencia al desgaste, además de una conductividad térmica relativamente alta para una cerámica de ingeniería. Existe una gran variedad de tamaños y formas de partículas, lo que permite crear a partir de ella piezas moldeables, refractarios y productos extruidos. La alúmina también cuenta con fuertes propiedades de resistencia a la corrosión y es muy dura; lo que hace que se utilice popularmente en la fabricación de aluminio metal o como material abrasivo, además de utilizarse para su uso en la fabricación de aluminio metal o para su uso en aplicaciones cerámicas como la fabricación de aluminio metal o aplicaciones de fabricación como la que se encuentra en otras aplicaciones cerámicas como la producción de aluminio.

La capacidad calorífica de la alúmina La reactividad de la alúmina viene determinada por su química superficial y la presencia de defectos o dislocaciones, como las dislocaciones. La reactividad puede definirse como su capacidad para liberar iones o electrones mediante reacciones de oxidación; la alúmina es muy reactiva, pero esta reactividad está limitada debido a una capa protectora de óxido pasivado que la rodea y que impide la reacción directa con el oxígeno ambiental; esto permite convertir la alúmina de capacidad calorífica en aluminio metal mediante el proceso Hall-Heroult.

Debido a sus potentes características de liberación de energía en las reacciones de oxidación, la alúmina puede servir como un excelente material energético en combustibles sólidos y propulsantes. Para aumentar aún más su reactividad, primero debe producirse una preactivación con compuestos orgánicos o inorgánicos para que este material funcione de forma óptima. La reactividad también puede aumentarse mediante el tratamiento con soluciones ácidas o básicas; las soluciones ácidas tienden a hacer materiales más reactivos, mientras que los tratamientos básicos tienden a hacer la alúmina más estable y menos reactiva.

La adición de nitrógeno puede aumentar aún más la reactividad de la alúmina, dotándola de una mayor estabilidad al óxido y disminuyendo su velocidad de desprendimiento de iones. Estas propiedades son especialmente valiosas cuando se utiliza como sustrato para circuitos integrados y dispositivos superconductores como transistores de un solo electrón y dispositivos de interferencia cuántica. Alternativamente, su reactividad también puede mejorarse mediante la formación de un cermet compuesto de alúmina/cromo utilizado como material de revestimiento de paredes en plantas CSP debido a sus propiedades tanto de resistencia a la fluencia como de tenacidad y a la alta reactividad de ambos elementos.