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Viscoelasticidad

1850

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas cuando se deforman. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo de cizallamiento y cepa linealmente con el tiempo cuando a estrés se aplica. Los materiales elásticos, como una goma elástica, se tensan cuando se estiran y vuelven rápidamente a su estado original cuando se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.

El comportamiento viscoelástico es consecuencia de la reorganización en función del tiempo de la microestructura de un material. Cuando se aplica una tensión, parte de la energía se almacena elásticamente en el estiramiento o la flexión de los enlaces moleculares, mientras que otra parte se disipa en forma de calor a través del deslizamiento viscoso de las moléculas entre sí. Este comportamiento dual da lugar a varios fenómenos característicos. Uno es la fluencia, en la que el material sigue deformándose lentamente con el tiempo bajo una carga constante. Otro es la relajación de tensiones, en la que la tensión necesaria para mantener una deformación constante disminuye con el tiempo a medida que se reorganiza la estructura interna del material.

This time-dependent response is often modeled using combinations of ideal springs (representing the elastic component, following Hooke’s Law) and dashpots (representing the viscous component, following Newton’s Law of Viscosity). Simple models like the Maxwell model (spring and dashpot in series) and the Kelvin-Voigt model (spring and dashpot in parallel) capture the basic features of stress relaxation and creep, respectively. More complex models, such as the Standard Linear Solid model, combine these elements to provide a more accurate description of real materials.

El comportamiento de los materiales viscoelásticos también depende en gran medida de la temperatura y la velocidad de deformación aplicada. A bajas temperaturas o altas velocidades de deformación, tienden a comportarse más como sólidos elásticos, mientras que a altas temperaturas o bajas velocidades de deformación, se comportan más como fluidos viscosos. Esto se conoce como el principio de superposición tiempo-temperatura.

Pruebas de fluencia, Elastómeros, Propiedades mecánicas, Polímeros, Seguro de calidad, Control de calidad, Reología, Corrosión bajo tensión, Análisis de vibraciones

UNESCO Nomenclature: 2203

- Mecánica continua

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

ley de elasticidad de hooke (1660)
ley de la viscosidad de newton (1687)
Primeros estudios sobre los efectos posteriores de la elasticidad por Wilhelm Weber (1835)
desarrollo de la ciencia de los polímeros

Aplicaciones

colchones de espuma viscoelástica
amortiguadores en vehículos
polímeros sintéticos y plásticos
tejidos humanos y biomecánica
materiales de amortiguación de vibraciones
adhesivos sensibles a la presión

Patentes:

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: viscoelasticidad, reología, fluencia, relajación de tensiones, polímeros, biomecánica, modelo maxwell, modelo kelvin-voigt.

Contexto histórico

Pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química de un combustible, generalmente hidrógeno, y un agente oxidante, a menudo oxígeno, en electricidad. A diferencia de una batería, requiere un suministro externo continuo de combustible y oxidante para funcionar. Los componentes principales son un ánodo, un cátodo y un electrolito que los separa, facilitando el transporte de iones.

Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

Calefacción Joule y energía eléctrica

El calentamiento Joule, o calentamiento óhmico, es el fenómeno en el que se produce calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La tasa de generación de calor, o potencia disipada ([latex]P[/latex]), viene dada por la primera ley de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando esto con la ley de Ohm, la potencia puede expresarse como [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.

Viscoelasticidad

Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

Enthalpy of Sublimation

La entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y presión dadas. Según la Ley de Hess, puesto que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).

Ingenieros diseñando un motor térmico eficiente en un laboratorio, ilustrando las aplicaciones de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

La Segunda Ley introduce el concepto de entropía y define la dirección de los procesos espontáneos. Puede expresarse de varias maneras, pero una consecuencia clave es que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Esta ley explica la «flecha del tiempo» y por qué los procesos son irreversibles, como el calor que fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío.

Escena de laboratorio que ilustra experimentos termodinámicos sobre el modelo de gas perfecto.

El modelo del gas perfecto

Un gas perfecto es un modelo teórico de un gas en el que se desprecian las fuerzas intermoleculares y se supone que las capacidades caloríficas específicas ([latex]C_P[/latex] y [latex]C_V[/latex]) son constantes con respecto a la temperatura. Esto simplifica considerablemente los cálculos termodinámicos. Es un caso específico del gas ideal, en el que los calores específicos pueden variar con la temperatura, lo que lo convierte en un modelo más restringido.

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Celda Daniell con electrodos de cobre y zinc en un laboratorio de electroquímica.

Operación de la célula Daniell

Una mejora de la pila voltaica, la celda Daniell consta de un electrodo de cobre en una solución de sulfato de cobre(II) y un electrodo de zinc en una solución de sulfato de zinc, separados por una barrera porosa. Este diseño de dos fluidos evita la acumulación de hidrógeno (polarización) en el electrodo de cobre, lo que resulta en una fuente de voltaje mucho más estable y fiable durante más tiempo.

El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz. Es un fenómeno físico-químico. Una aplicación común es la célula solar, que utiliza este efecto para convertir la luz solar directamente en electricidad. El efecto se basa en que los fotones de luz excitan a los electrones a un estado de mayor energía.

Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].

Laboratorio del siglo XIX con físicos que estudian los principios de conservación de la energía.

Conservación de energía

Principio fundamental según el cual la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra, por ejemplo, de energía potencial a energía cinética. En mecánica clásica, para sistemas con sólo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.

Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

En un fluido newtoniano, la viscosidad es función de la temperatura y la presión, pero no de la velocidad de cizallamiento. En líquidos, la viscosidad disminuye significativamente al aumentar la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen las fuerzas intermoleculares cohesivas con mayor facilidad. Por el contrario, en gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, ya que las colisiones moleculares más frecuentes a mayor velocidad provocan una mayor transferencia de momento.