Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 1
Ingeniera en Logstica y Transporte
5 cuatrimestre
Programa de la asignatura:
Fsico qumica de materiales
Unidad 1. Propiedades fsico qumicas de los materiales
Clave
TSU 140920518 / ING 130920518
Universidad Abierta y a Distancia de Mxico
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 2
ndice
Unidad 1. Propiedades fsico qumicas de los materiales
Presentacin de la unidad...3
Propsitos...3
Competencia especfica...3
1.1. Propiedades extensivas4
1.1.1. Masa, peso y volumen...4
1.1.2. Inercia, impenetrabilidad, elasticidad..6
1.1.3. Porosidad11
1.2. Propiedades particulares13
1.2.1. Maleabilidad..15
1.2.2. Dureza y ductilidad..16
1.2.3. Tenacidad..21
1.3. Propiedades intensivas..23
1.3.1. Olor, sabor, color..24
1.3.2. Punto de ebullicin, punto de fusin y punto de explosin...28
Actividad 1. Las propiedades de los materiales.34
1.3.3. Densidad, calor especfico, solubilidad, viscosidad35
1.4. Propiedades de los materiales peligrosos..42
1.4.1. Explosividad, inflamabilidad, toxicidad.43
1.4.2. Corrosividad, oxidantes y perxidos.47
1.4.3. Radiactividad55
Actividad 2. Reacciones intensivas y peligrosas...50
Autoevaluacin. ..51
Evidencia de aprendizaje. Seleccionando materiales...52
Autorreflexin52
Para saber ms53
Cierre de la unidad..54
Fuentes de consulta55
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 3
II. Desarrollo de contenidos por unidad
Unidad 1. Propiedades fsico qumicas de los materiales
Presentacin de la unidad
El transporte de mercancas tiene consecuencias en muchos mbitos de la vida de los seres
humanos, que se centran en aspectos econmicos y sociales. De esta manera, los costos
asociados al transporte de mercancas inciden sobre la rentabilidad y viabilidad econmica de
las empresas transportistas y consignatarias, al tiempo que la realizacin de esta actividad
puede afectara la sociedad en forma de externalidades.
Las externalidades del transporte son efectos negativos que influyen en la sociedad, difciles de
cuantificar de manera monetaria. Tal es el caso de la contaminacin por ruido, gases y
partculas, que provocan molestias y enfermedades en la poblacin. Una externalidad aun ms
grave relacionada con el transporte son los accidentes, que provocan prdidas econmicas y
humanas. Al respecto, estimaciones del ao 2010 indican que, en el mundo entero,
aproximadamente 1.2 millones de personas perdieron la vida a consecuencia de accidentes
viales, al tiempo que ms de 40 millones de personas resultaron heridas, muchas de ellas con
secuelas permanentes (OMS, 2009). Por otro lado, el dao que sufre la carga durante su
transporte tambin constituye un efecto negativo, as como el dao que el vehculo de
transporte causa a la infraestructura logstica.
Y resulta que todas estas consecuencias que el transporte tiene sobre la vida de la poblacin y
las empresas, estn ntimamente relacionadas con las caractersticas fsicas y qumicas, tanto
de los materiales transportados como de aquellos que componen la infraestructura logstica.
Propsitos
En esta unidad comprenders y analizars los conceptos que describen las propiedades de la
materia de los elementos transportados y en general del sistema de transporte, que afectan la
seguridad, confiabilidad y eficiencia del transporte de mercancas.
Competencia especfica
Analizar las propiedades fsico qumicas de los materiales, para seleccionar el modo, el medio
de transporte y las condiciones para el manejo de la carga, mediante la descripcin de las
propiedades de los materiales transportados, en particular de las intensivas y peligrosas.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 4
1.1. Propiedades extensivas
Las propiedades extensivas de la materia son las propiedades totales (extensas) de los cuerpos
y sustancias que son transportadas o que forman parte de la infraestructura logstica. Son las
que no se expresan por unidad de masa o volumen de materia. Estas propiedades se
diferencian de las intensivas en que estas ltimas se expresan por unidad de masa o
volumen de la materia. De esta forma, mientras que las propiedades extensivas se expresan, en
kg de masa, ya que la propiedad intensiva asociada es la densidad de masa, la cual se expresa
en kg por cada unidad de volumen, por ejemplo, kg/m3. Las propiedades extensivas, de esta
forma, son las que toman en cuenta el cuerpo total que limita al elemento que es transportado,
o que sirve para el transporte (infraestructura logstica), en sus diferentes estados fsicos.
1.1.1. Masa, peso y volumen
La masa se ha definido como la cantidad de materia contenida en un cuerpo. Esto es, dicha
propiedad tiene que ver con la cantidad de tomos y molculas que componen a los cuerpos,
en donde cada tomo y molcula posee una cantidad de materia. Esta propiedad de la materia
se expresa en unidades definidas a lo largo de la historia y no depende del sistema de
referencia en la que se trabaje; ni de la ubicacin geogrfica. As, la masa de un cuerpo no
cambia an si nos movemos a otras latitudes del planeta, o al interior del universo mismo.
El peso, a diferencia de la masa, s cambia de acuerdo al sistema de referencia del que se trate,
depende de la posicin geogrfica que se tenga. Ello se debe a que el peso de un cuerpo est
asociado a la fuerza de atraccin gravitacional que los cuerpos ejercen entre s. Como sabes,
en esto tiene que ver la Ley de la gravitacin universal, que Isaac Newton public en 1687 (UT,
2012), referente a que los cuerpos ejercen entre s una fuerza de atraccin cuya magnitud vara
en proporcin al producto del valor de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que los separa. Siendo la masa de cualquier cuerpo sobre la tierra, infinitesimalmente
ms pequea que la masa de la Tierra, la ecuacin para el peso w de una masa m est dada
por la siguiente ecuacin:
donde g es la aceleracin debida a la gravedad terrestre, la cual tiene un valor promedio de
9.80665 m/s2, y de 9.78033 m/s2 en el Ecuador. Si medimos la masa en kg, las unidades del
peso son Newtons (N). Otras unidades para el peso son libras-fuerza, kilogramos-fuerza, en
funcin del sistema de unidades seleccionado. Esto del peso y la masa puede representar
situaciones curiosas, dado que si tomamos en cuenta que la masa no vara pero la aceleracin
de la gravedad si y si tomamos el peso de un objeto como base para ponerle precio, entonces
sera buen negocio comprar en un lugar de la tierra donde la aceleracin de la gravedad sea
relativamente pequea, por ejemplo, en una latitud cercana al Ecuador, as como venderla en
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 5
donde la aceleracin de la gravedad sea mxima, como en los polos. Sin embargo, esto no es
factible dado que los dispositivos empleados para pesar los objetos, no se basan en el peso
sino en las masas, al consistir tales dispositivos de balanzas. De esta forma se evita que el
precio se pague por peso, sino por masa, como se muestra en la figura suma de momentos
alrededor de una balanza. Por lo tanto, los dispositivos tipo dinammetros, que determinan la
masa con base al peso, efectivamente podran dar diferentes magnitudes de la masa en funcin
de la latitud a la que se efecte la medicin.
Por otro lado, el volumen es la cantidad de espacio tri-dimensional que ocupa la masa, en
funcin del estado en que se encuentre, ya sea slido, lquido o gaseoso, de tal suerte que el
mayor volumen es ocupado por una materia en estado gaseoso. En el caso de una sustancia
pura como es el agua, sta se puede encontrar en la forma de vapor o en estado lquido o
slido. En el estado lquido la materia ocupa el menor espacio.
Figura Suma de momentos alrededor de una balanza para determinar la masa de un cuerpo
Como habrs podido observar, el volumen que ocupa el hielo es mayor, por lo que una tubera
diseada para agua se reventar cuando sta cambie del estado lquido al slido, producto de
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 6
un enfriamiento por debajo del punto de solidificacin del agua (alrededor de 0C a la altura del
nivel del mar).
Estas tres propiedades de la materia son especialmente relevantes en el caso de la carga
transportada. Tan es as que existe un Reglamento de pesos y dimensiones, que limita tanto
las dimensiones (volumen) como el peso bruto vehicular de los transportes (peso de la carga
ms peso propio del vehculo). En torno a esto, se dice en la jerga caminera que el vehculo
puede llevar peso o puede llevar volumen. La economa del transporte se ve entonces afectada
cuando se requiere transportar volumen, cuando la carga es voluminosa ms no pesada, en
cuyo caso se transportarn pesos relativamente pequeos, comparados con los lmites que
impone el reglamento.
Si bien Isaac Newton estableci las bases para entender los fenmenos mecnicos que ocurren
en el mundo con objetos que se desplazan a velocidades relativamente pequeas, Albert
Einstein vendra, en el siglo XX, a cambiar el concepto de masa, producto de su Teora de la
relatividad. Para velocidades normales de transporte, sin embargo, los principios de Einstein no
se toman en cuenta.
1.1.2. Inercia, impenetrabilidad, elasticidad
La definicin de inercia se desprende del enunciado de la Primera Ley de Newton, en el
sentido de que un cuerpo permanece en su estado de equilibrio esttico o dinmico, siempre
que no exista una fuerza que altere dicho estado. La masa entonces es la propiedad de un
material que representa esta resistencia a cambiar su estado de reposo o de movimiento a
velocidad constante. Esta inercia genera la fuerza que experimentamos cuando el vehculo en
el que nos transportamos efecta una aceleracin o deceleracin, o en el lquido transportado,
en una pipa o autotanque, ejerce sobre el contenedor y el vehculo cuando ste efecta alguna
maniobra direccional o cambio de velocidad. Tales fuerzas de inercia son responsables de
muchos accidentes viales y lo que se requiere para disminuir el efecto de estas fuerzas, es el
uso de dispositivos que eviten el oleaje de las sustancias lquidas contenidas, adems de tener
moderacin en las aceleraciones ejercidas sobre el vehculo, al tiempo de respetar los
reglamentos de pesos y dimensiones correspondientes.
Seguramente tu mismo lo has experimentado, pues como pasajero de un transporte pblico,
uno debe sujetarse con firmeza de los herrajes diseados para tal fin, a manera de no sufrir las
consecuencias de cadas y golpes, producto de las sacudidas que imponen algunos
transportes. Pero en ciertas circunstancias, la masa no solamente representa esta inercia, sino
que la inercia de un cuerpo depende tambin de cmo est distribuida la masa de un cuerpo
dado. La propiedad de los cuerpos que describe esta caracterstica inercial es, precisamente, el
Momento de Inercia de Masa (MIM), que depende de la masa del cuerpo, de su forma y sus
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 7
dimensiones. Este MIM representa la resistencia a cambiar el estado de equilibrio de un cuerpo,
en funcin de cmo est distribuida su masa. La Figura Momentos de inercia de u
paraleleppedo se muestra un objeto, que puede representar el compartimiento de carga de un
camin; se trata de una masa, la cual trataremos de hacer girar alrededor de los tres diferentes
ejes mostrados , y , desde su centro de gravedad. Los momentos de inercia
alrededor de cada uno de estos ejes se denominan , y , respectivamente. De acuerdo con los resultados de la figura, el giro alrededor del eje
- costar ms trabajo, del orden de 5.6 veces ms que el giro alrededor de
- .
La inercia de los cuerpos, representada por la masa misma y por los momentos de inercia, tiene
diferentes repercusiones en el transporte: desde la facilidad de detener un vehculo con cierta
velocidad, hasta las frecuencias de vibracin de los vehculos en las distintas direcciones.
La impenetrabilidad es otra propiedad extensiva de la materia, que consiste en la imposibilidad
de que dos porciones de materia ocupen el mismo espacio en el mismo instante. Esto ocurre
para los tres estados de la materia y es vlida an para materiales que se dicen porosos. Esto
es, la materia ocupa un volumen propio, asociado a la cantidad de tomos que la componen.
))(12/1( 22xx hLMI ))(12/1( 22yy haMI
))(12/1( 22zz aLMI
Si 1 a m , 5.1 h m y
4L m
h x
y z
L a
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 8
Figura Momentos de inercia de un paraleleppedo rectngulo alrededor de tres ejes
centroidales
Esta propiedad es sumamente importante en el contexto del transporte, en la medida que una
materia puede desplazar a otra. Esto ocurre, por ejemplo, cuando una masa de lquido se vierte
en un recipiente ventilado, en donde la masa lquida impulsar al aire contenido hacia el exterior
del recipiente, como se muestra en la Figura siguiente.
En caso de que el recipiente est hermticamente cerrado, el gas contenido en el
recipiente desarrollar una presin en el interior, dificultando el ingreso de la materia
lquida.
En el caso de sustancias peligrosas, es importante darnos cuenta que los vapores
desplazados del interior del tanque de pipas o autotanques, deben ser atrapados con
objeto de evitar contaminar la atmsfera, as como para prever situaciones peligrosas.
Ello se realiza mediante sistemas de recuperador de vapores.
Figura Masa de lquido que desplaza a la masa de aire en un recipiente, producto de su
impenetrabilidad.
La ltima propiedad extensiva que se analizar en este apartado es la elasticidad de la
materia. Esta es una propiedad que se aplica sin importar el estado en que se encuentre la
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 9
sustancia, sea slida, lquida o gaseosa y se refiere a la capacidad de la sustancia de recuperar
su forma y tamao originales una vez que se eliminan las fuerzas que provocan su
deformacin. Si bien esta propiedad se mide en los cuerpos mediante diferentes mtricas, en el
caso de sustancias slidas se recurre al mdulo de elasticidad, el cual relaciona la variacin de
la fuerza aplicada con la variacin en la deformacin de un cuerpo. Este mdulo fue descrito
originalmente por el cientfico britnico Robert Hooke, en Cambridge, en 1678 (DOE, 1993). La
Figura siguiente ilustra la Ley de Hooke, que relaciona la fuerza aplicada con la
deformacin experimentada por el cuerpo, de la siguiente forma:
AE
PL
donde es el rea de la seccin transversal de la barra, es el mdulo de elasticidad del
material, y es la longitud original del cuerpo. Este mdulo de elasticidad vara para cada
material y se obtiene de mediciones experimentales, empleado mquinas de ensayo
universales y aplicando esta misma Ley de Hooke, como se muestra en la parte derecha de la
Figura. Al cociente P/A se le llama esfuerzo, , y a la relacin se le denomina deformacin
unitaria, , por lo que la Ley de Hooke se puede expresar de la siguiente manera:
E
Figura Deformacin elstica de un cuerpo y Mdulo de Elasticidad
P
P
L+
P / A
/ L
L
A
PLE
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 10
Con relacin a esta propiedad, es comn manejar las ecuaciones para obtener lo que se
conoce como constante de resorte de un cuerpo ( ), al componer la Ley de Hooke de la siguiente manera:
L
AEPk
Esta constante de resorte k, corresponde a la fuerza necesaria para deformar un resorte comn
helicoidal que, como se muestra en la Figura siguiente, constituye un componente fundamental
de los vehculos, esto es, la suspensin hecha de resortes helicoidales o del tipo muelle. Pero
como se muestra en dicha figura, los neumticos de los vehculos carreteros son elementos
adicionales que poseen gran elasticidad y operan de manera fundamental para reducir el
impacto que ejercen las diferentes irregularidades en el pavimento (baches, topes) sobre la
carga transportada y el conductor. Sin embargo, es necesario reconocer que todos los cuerpos
son esencialmente elsticos y deformables, no obstante lo rgido que sean. Tal es el caso del
bastidor del vehculo y su carrocera.
Figura. Resortes helicoidales o elementos elsticos en un vehculo.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 11
Los lquidos poseen tambin elasticidad y vale la pena mencionar que la deformacin elstica
de los gases tambin se emplea en el caso de las diversas suspensiones neumticas de
muchos vehculos, tanto de carga como de pasajeros. Como informacin relevante te podemos
comentar que la ventaja de las suspensiones neumticas es tal por cuanto al menor deterioro
que causan al pavimento, que a los ejes equipados con este tipo de suspensin se les permite
una sobrecarga del orden de 10%.
1.1.3. Porosidad
Aunque no hay estrictamente materia que carezca de poros, stos llegan a ser demasiado
pequeos como para que otras sustancias puedan llenar tales huecos intrnsecos a la materia.
De esta forma, un modelo recurrente y aceptado es tomar a la materia como un medio continuo,
carente de huecos. Sin embargo, tales poros pueden tener el suficiente tamao como para que
otra sustancia los llene, al tiempo que hay medios especialmente porosos. Tal es la situacin
cuando se trabaja con materiales hechos a partir de la mezcla de materiales granulares, como
en el caso de mezclas asflticas. Mientras que las piedras que componen a estas mezclas
poseen cierta porosidad, la mezcla en s posee un grado de porosidad mucho mayor que le da
permeabilidad al pavimento construido a partir de este material.
Si bien la porosidad es una propiedad bsica y aceptada para ciertos materiales de
construccin, tambin puede resultar peligrosa en algunas circunstancias como te explicamos
ms adelante. Por el lado benfico, la porosidad da permeabilidad a los pavimentos,
especialmente los asflticos, con lo que se evitan los encharcamientos en las carreteras.
La cantidad de materia que permea al interior de un medio poroso se considera una medida de
la cantidad de poros existentes en dicho medio. De esta forma, la medicin de la porosidad de
un medio, la cantidad de huecos que posee, se realiza a partir de cuantificar precisamente la
cantidad de materia, (por lo general lquida) que penetra en la porosidad de otra. Por ejemplo, la
determinacin de la porosidad de una muestra de mezcla asfltica se inicia con el pesaje de la
muestra seca. Posteriormente, se deposita en el interior de un medio acuoso por un tiempo
(horas o das), con objeto de que el fluido penetre los poros de la mezcla. Despus se extrae la
muestra del recipiente, se deja escurrir y se vuelve a pesar. La diferencia del peso en seco y
hmeda es una medida de la cantidad de poros existentes en la pieza ensayada, como se
ilustra en la Figura siguiente. Al respecto, el volumen de huecos en una mezcla asfltica que
est en el orden de 30% y su valor resulta crtico para el desempeo satisfactorio del
pavimento.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 12
Figura.Ejemplo de procedimiento para determinar la porosidad de una mezcla asfaltica
Por cuanto a una porosidad indeseada, existen muchos ejemplos, incluyendo procesos de
manufactura defectuosos. As, las piezas fabricadas por un proceso de fundicin pueden
presentar poros en ciertas porciones de su volumen como resultado de algunos contaminantes
presentes en la masa fundida. Estos poros son defectos y adems de debilitar a las piezas as
fabricadas, pueden provocar dificultades durante procesos complementarios de manufactura.
Por ejemplo, es comn que un poro provoque la fractura de una broca que est siendo
empleada para barrenar una pieza porosa.
Asimismo, durante la soldadura de piezas metlicas y como resultado de un mal procedimiento,
se pueden presentar poros en los cordones de soldadura, los cuales debilitan a las piezas
fabricadas, que por lo general son partes crticas del vehculo de transporte tales como chasises
o tanques. En stas y en otras aplicaciones puede llegar a requerirse, por norma, llevar a cabo
un radiografiado total o parcial de las soldaduras realizadas, precisamente para detectar tales
poros. Aparte de la radiografa, el ultrasonido representa otra tcnica no destructiva para
detectar la existencia de poros en cordones de soldadura.
1.2. Propiedades particulares
En la naturaleza existen una variedad de materiales que exhiben distintas capacidades y
propiedades. Los diferentes artefactos construidos por las antiguas civilizaciones dieron cuenta
de esas propiedades y fueron bsicos para la supervivencia de tales sociedades. De entre los
utensilios ms importantes de la antigedad se cuentan a los artculos de caza, los cuales
consistieron en un principio de materia mineral encontrada en la naturaleza, la que debera
perforar la piel del cuerpo del desafortunado animal cazado. Los utensilios y herramientas
empleados por los antiguos fueron en general hechos de piedra y otros materiales que
demostraban la peculiar caracterstica de ser duros y rgidos. En la Amrica precolombina se
distingue la era pre-agrcola (20000 a 6000 A.C.), en la que los utensilios creados con
diferentes propsitos fueron hechos a partir de labrar la piedra. Posteriormente, en la era
primitiva o arcaica (3000 a 1500 A.C.), los pobladores fabricaron diferentes utensilios de entre
los que destacan los hechos de cermica y de palma tejida. Para entonces ya eran empleados
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 13
otros materiales diversos, los cuales tendran propiedades distintas, tales como la piel y huesos
de los animales cazados. Sin embargo, hasta entonces, en esta regin del mundo se trabajaron
materiales duros (piedras) u otros relativamente suaves (palma, pieles). Fue hasta la invencin
de la metalurgia que en esta regin del mundo se empezaron a trabajar materiales que
combinaban gran variedad de propiedades, desde la visual hasta la facilidad para fabricar
utensilios de formas intrincadas. Esto ocurri en el periodo Clsico (200 a 1100 D.C), aunque
algunos utensilios hechos por los antiguos habitantes de la regin del los Grandes Lagos,
indican la existencia del martilleo de piezas de cobre, aunque no se realizaba su fundicin
(1500 aos A.C.) (Thomas, 1979).
En el periodo Clsico existieron entonces diferentes objetos metlicos cuya forma se lograba
mediante el martilleo o el laminado con rodillos, de materiales que haban sido previamente
obtenidos a travs de un proceso de fundicin, incluyendo el oro y el cobre.
A pesar del desarrollo local en las reas de metalurgia, que incluyeron procesos de moldeo
complicados tales como la cera perdida, la conquista por la corona espaola dio un impulso a
muchas actividades en las que las propiedades de los metales manejados representaron
grandes cambios en la sociedad.
De esta manera, son las propiedades de los materiales en general, y de los metales en
particular, las que provocaron el crecimiento de la economa regional, en la que los materiales
rgidos de construccin siguen mostrndonos hasta la fecha el formidable conocimiento que se
logr tener an desde antes a la conquista espaola de Mxico.
En el contexto de las propiedades particulares de los materiales se trata entonces de
propiedades esencialmente mecnicas, asociadas a un cmulo de objetos y construcciones que
han representado la diferencia en el desarrollo de las naciones. Al respecto, en Europa en los
siglos XVll y XVlll es que se desarrollaron los fundamentos cientficos para estudiar las
propiedades relevantes de los materiales, en donde la prueba reina para determinar las
propiedades mecnicas de los materiales consista del ensayo a traccin simple de una probeta
caracterstica hecha del material que se deseaba evaluar.
La Figura ilustra una moderna mquina universal para prueba de materiales, que permiten
obtener sus propiedades bsicas cuando son sometidos a cargas estticas. Estas cargas
estticas consisten de fuerzas que se aplican a los cuerpos, con poca variacin durante un
periodo de tiempo largo. Como se revis en el tema 1.1.2. esta prueba la ide el cientfico
Ingls Robert Hooke y alrededor de esta prueba es que se han definido el cmulo de
propiedades mecnicas de los materiales, incluyendo la ductilidad. Adems del mdulo de
elasticidad, a travs de esta prueba se pueden determinar los esfuerzos de cedencia (SC) y
ltimo (Su). Como se observa en la Figura, el esfuerzo de cedencia es el nivel de esfuerzo en el
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 14
que el material experimenta una deformacin plstica, mientras que el esfuerzo ltimo es el
mximo esfuerzo que puede resistir un material, en la cspide del diagrama de contra /L.
Sin embargo, como se ver en secciones posteriores, existen otras propiedades que sern
evaluadas mediante otros procedimientos y equipos de prueba, en la medida de que no todas
las cargas que son aplicadas a los cuerpos son de naturaleza esttica, esto es, algunos objetos
empleados en los sistemas logsticos y de transporte, deben soportar cargas de impacto, que
son en general de gran magnitud y poca duracin. Efectivamente, la seleccin de los materiales
para una cierta aplicacin ingenieril, tiene que ver con el tipo de cargas a las que quedar
sometido el objeto o cuerpo, lo cual se comparar con las capacidades intrnsecas de los
materiales disponibles para tales aplicaciones.
Aunque las propiedades reseadas a continuacin, guardan una relacin ms o menos cercana
entre ellas, cada una distingue caractersticas relevantes en funcin del contexto en que sean
consideradas.
Figura Mquina universal para ensaye de materiales y curva obtenida del ensayo a traccin
Fuente. Tomada del laboratorio de materiales de la Universidad Autnoma de Quertaro.
Mdulo de control
Mesa para
ensayos
Sistema de
accionamiento =P / A
/ L
Esfuerzo ltimo, Su
Esfuerzo
de
ruptura,
Sr
Esfuerzo
de
cedencia,
Sc
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 15
1.2.1. Maleabilidad
Esta propiedad de los materiales se aplica a materiales slidos y representa la capacidad que
tienen para soportar deformaciones plsticas. Metafricamente, este concepto se aplica a las
personas que son capaces de adaptarse a los cambios. En el caso de los materiales empleados
en la logstica y transporte, diferentes artefactos deben poseer esta cualidad para soportar
grandes niveles de deformacin.
La imagen siguiente ilustra una situacin en la que la maleabilidad de los materiales es
altamente deseada. El material fue sometido a procesos de conformacin profundos, en l se
conform en fro a la forma deseada mediante diferentes dispositivos de procesado. En el caso
de las tapas de los toneles de los autotanques y pipas, los dispositivos de conformado pueden
incluir el golpeteo en fro (como en el caso de los antiguos implementos de cobre descritos al
inicio de esta seccin), en donde un martillo se aplica sobre la placa plana hasta darle la forma
deseada, hasta procesos de rolado mediante equipos especiales, como el mostrado
esquemticamente en la figura siguiente de un moderno tanque de un camin cisterna.
Tambin hay procesos de conformacin modernos, en los que tapas de los toneles de los
autotanques y pipas, se realiza al aplicar vaco a uno de los lados de la placa, en una cmara
hermtica especial.
Figura Ejemplos de la maleabilidad de los materiales. Tanque de camin cisterna
Fuente: Romero (2002)
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 16
Figura Representacin esquemtica de una mquina roladora
De esta forma, la maleabilidad de los materiales es altamente deseable e involucra una serie de
propiedades que pueden derivar en la capacidad de un material para aguantar altos niveles de
deformacin plstica. La falta de maleabilidad de los materiales se refleja en que durante el
proceso de conformado el material de la lmina o placa trabajada, puede sufrir un agrietamiento
porque precisamente no soporta los altos niveles de deformacin. De esta manera, existen
aleaciones especiales con la denominacin de embutido profundo, como es el caso de la
lmina empleada para la fabricacin de los tanques de gasolina o las carroceras de los
vehculos.
Es importante sealar que esta capacidad de los materiales para soportar grandes niveles de
deformacin, es una funcin de la temperatura a la que se trabaje, de tal suerte que a
temperaturas altas la maleabilidad de los materiales aumenta considerablemente, pudiendo
entonces obtener partes tales como las varillas de acero para la construccin, los rieles de los
ferrocarriles, o los perfiles estructurales empleados para la fabricacin de estructuras. La
temperatura a la que se realizan estas operaciones en el caso de acero al carbn, est en el
rango de 1200C, a la que el material obtiene un color naranja.
1.2.2. Dureza y ductilidad
Un cuerpo hecho de material slido o semislido posee dureza en la medida que ofrece
resistencia a ser atravesado por otro cuerpo. Se le considera como material semislido, por
ejemplo, al aglutinante asfltico (especie de chapopote) empleado en la fabricacin de
carreteras. Pero en general, el concepto de dureza se aplica a materiales en estado slido y al
respecto debes de saber que el diamante es de los materiales ms duros que existen, al poder
rayar o marcar prcticamente cualquier otro material. Pero otros principios pueden aplicarse
los cuales revelan tambin la dureza de un material dado, por lo que los mtodos para medir la
dureza de los materiales se clasifican en (i) pruebas de rayadura; (ii) pruebas de indentacin o
penetracin y (iii) pruebas de rebote. Como se ve, existen varias formas de medir una misma
propiedad, de acuerdo a la aplicacin final que se quiera.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 17
En el caso del rayado entre s de los diferentes materiales para medir su dureza relativa, se
tiene que ello se emplea en el caso de mineraloga, con base a la escala de Mohs, en donde el
material ms suave es el talco, y el ms duro corresponde a materiales como el diamante. Esta
escala corre del 1 al 10, en donde es posible ubicar a las uas de los dedos, con un valor de 2.
Si bien esta escala podra servir en un momento dado para determinar la dureza relativa de los
metales, su uso est limitado dado que no existe la necesaria resolucin para los rangos de
dureza de materiales empleados en la manufactura de los diferentes equipos.
El mtodo de medicin de la dureza que se basa en medir la altura de rebote de una masa
conocida sobre el material ensayado es de hecho un ensayo dinmico, ideado a principios del
siglo XX. Los inconvenientes de este dispositivo an en uso comercial, se asocian a que el
rebote puede ser influenciado por el espesor del material ensayado, aparte de que hay que
cambiar el punto ensayado dado que aunque el material muestra una pequea indentacin
despreciable, ste puede resultar ligeramente endurecido por efecto del trabajo en fro
realizado.
De esta forma, los dispositivos para medir la dureza de materiales empleados en el contexto de
la manufactura de mquinas y equipos, incluyendo la logstica y el transporte, se basan en la
indentacin de los cuerpos. As, la dureza extrema de algunos materiales es la que se emplea
para medir la dureza del resto de los materiales, como una medida de la resistencia que estos
otros materiales presentan a ser marcados o indentados en su superficie. Y los duros
indentadores aplican una carga conocida sobre las superficies de los materiales, de tal suerte
que las dimensiones de la marca hecha en el material ensayado, sirven como una medida de la
dureza de los materiales. Entre mayor sea la marca dejada por el indentador, menor ser la
dureza del material ensayado.
A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes tipos de indentadores y cargas aplicadas
que definen el tipo y escala de dureza empleada, y se podra decir que existen dos grupos de
indentadores, uno para usarse en el contexto acadmico/cientfico y el otro en el contexto
ingenieril/productivo, existiendo frmulas para convertir los datos de dureza entre las diferentes
escalas.
De entre las escalas y durezas acadmico/cientficas ms antiguas se tiene a la Brinell, la cual
emplea un indentador redondo hecho de carburo de tungsteno, como se muestra en la Figura.
Las mquinas para esta escala de dureza aplican fuerzas entre de 500 y 3000 kg, de acuerdo a
la dureza del material ensayado, con dimetros de indentador de 10 o 5 mm. La dureza Vickers
tambin est basada en la medicin de la marca hecha en el material ensayado, pero se
emplea un indentador piramidal EI (2012). Aunque estos dos mtodos son confiables, su
aplicacin es laboriosa dado que es necesario efectuar mediciones de la marca dejada por el
indentador sobre el material ensayado. La Figura de abajo ilustra el procedimiento de ensaye y
clculo de estos dos mtodos de medicin de la dureza.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 18
(a) Procedimiento Brinell (b) Marca del Procedimiento Vickers
Figura Procedimientos para la medicin de la dureza por la medicin del tamao de la huella
El mtodo de indentacin que es el mayormente seleccionado en la industria es el inventado
por S. P. Rockwell en 1924, el cual emplea un indentador hecho de carburo de tungsteno de
forma cnica. A diferencia de los dos mtodos descritos antes, el equipo de medicin de dureza
tipo Rockwell, no se basa en la medicin de la huella dejada por el indentador, sino que
simplemente en la profundidad de esta marca, la cual se realiza de manera directa por la
mquina. De esta manera, los durmetros tipos Rockwell son los ms comnmente empleados
en la industria, en diferentes escalas de acuerdo al material empleado (Rockwell escala B,
Rockwell escala C). Pero como se haba comentado antes, existen formulaciones para convertir
de una escala de dureza a otra. La Figura muestra la relacin entre estas diferentes escalas.
Para tener una idea de los niveles de dureza en las distintas escalas, de partes y componentes
de uso comn, se tiene que los aceros endurecidos para realizar el corte de las diferentes
lminas que integran las carroceras de los camiones y automviles, es del orden de 48 en la
escala R-C.
Si bien es cierto que la medicin de la dureza representa por s misma una medicin importante
para identificar el uso de los materiales, una razn adicional para estas mediciones radica en
que la dureza correlaciona con algunas propiedades bsicas de los materiales. Ese es el caso
de la dureza versus resistencia ltima Su descrita en la Figura a continuacin.
D: dimetro
indentador
d : dimetro de la
marca
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 19
0
100
200
300
400
500
600
700
200 300 400 500 600
Vic
kers
, R-B
, R-C
Nmero de dureza Brinell
Vickers
Rockwell -B
Rockwell-C
Figura Variacin de la escalas Vickers, Rockwell B (R-B), y Rockwell C(R-C), respecto al
Nmero de dureza Brinell
Fuente: Adaptado de EI (2012)
Al respecto se ha comprobado que para ciertos valores de dureza, expresada en particular
como nmero de Dureza Brinell (NDB), multiplicar esta cantidad por 500 resulta en el valor
aproximado para u. (Su ) Sin embargo, esta relacin se conforma para un rango solamente de
valores de NDB. De esta manera, la resistencia ltima Su de un material desconocido, puede
ser estimada mediante una relativamente sencilla prueba de dureza. Esta relacin emprica ser
empleada en el desarrollo de la tercera unidad de esta asignatura, al tratar la falla por fatiga de
los materiales.
Otra propiedad de los materiales relacionada con la maleabilidad y la dureza, es la ductilidad, la
cual se define como la capacidad de un material para soportar deformacin plstica al
someterse a un esfuerzo normal o cortante. A la luz de lo discutido en la parte introductoria de
esta seccin, se tiene que los primeros materiales que fueron capaces de utilizar los habitantes
del planeta tenan poca ductilidad, al ser esencialmente rgidos y duros. Slo con la introduccin
de la metalurgia se pudo contar con materiales metlicos que soportaban gran cantidad de
deformacin sin romperse, al fabricar por ejemplo vasijas y otros utensilios hechos de cobre,
que implicaba mucho trabajo de moldeo a travs del martilleo. Particularmente, los metales as
fabricados fueron maleables y dctiles. Mientras que la maleabilidad no es estrictamente
medible, la ductilidad s lo es, a travs de al menos dos mtricas. Se denominan frgiles a los
materiales que no soportan gran cantidad de deformacin plstica antes de fallar y sucede lo
contrario con los dctiles. En un extremo se tienen los materiales cermicos y, por el otro,
metales suaves como el cobre o el bronce.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 20
La cantidad de deformacin plstica que un material soporta se puede medir entonces a travs
de una prueba de traccin simple, al restar la longitud final de la probeta fallada de su longitud
inicial. La segunda medida comn para determinar la ductilidad de un material consiste en
medir el cambio de rea que experimenta la probeta despus de haber fallado en la prueba a
traccin. Como prueba de un material dctil se tomarn datos de una prueba de traccin simple,
en la que fueron determinadas las variaciones de carga y de longitud de una porcin de la barra
ensayada (denominada longitud calibrada), hasta su fractura. A continuacin se ejemplificar
esta medida de la ductilidad, de datos tomados de un ensayo de traccin simple, realizado con
una mquina como la mostrada en la seccin 1.2.
Al respecto te informamos que para realizar esta caracterizacin se toma una longitud llamada
calibrada, en la parte central de la pieza, como se ilustra en la Figura. Esta longitud se marca
tenuemente con rayas cada 25 mm de longitud. Despus de la prueba, se compara la longitud
final con la inicial, para determinar con ello la deformacin total y unitaria resultante. Considera
que las longitudes medidas de las diferentes secciones de longitud calibrada una vez fallada la
probeta fueron de la siguiente manera: 30.45 mm, 30.95 mm, 31.75 mm, 34.35 mm, 45.20 mm,
32.20 mm, 31.25 mm y 30.45 mm. Como puedes observar, cada uno de los segmentos
calibrados experiment diferente nivel de deformacin, aparte de que parte central es la que
sufri la mxima deformacin. La deformacin unitaria, definida como la deformacin del
segmento entre su longitud inicial, expresada en porcentaje, es la medida de la ductilidad del
material ensayado. Por lo tanto, se puede calcular una deformacin unitaria para cada tramo,
as como la deformacin unitaria para toda la longitud calibrada. Efectuando las respectivas
operaciones, se obtiene la grfica de la Figura, para cada uno de los tramos, en donde se
verifica que el tramo central es el que mayor deformacin unitaria sufri, siendo la deformacin
unitaria promedio de 33.3%. Esta deformacin permite prever que el material es dctil, si bien
existen diferentes criterios para definir la mnima deformacin unitaria en porcentaje para
considerar al material dctil.
La ductilidad de los materiales es una propiedad necesaria en muchas aplicaciones. Toma por
ejemplo los tanques de gas domsticos. La normatividad respectiva puede indicar una
deformacin unitaria a la fractura de al menos 24% para el material fallado, de tal suerte que
ante una elevacin no prevista de la presin del gas contenido, el tanque experimentara una
deformacin considerable, antes de que algunas de sus partes empezaran a fugar. De esta
manera, la ductilidad es una propiedad altamente deseada en general, aunada a la resistencia
ltima. Adicionalmente, es sabido que estos tanques son sometidos frecuentemente a uso rudo,
caracterizado incluso porque los operadores ruedan estos cilindros en el pavimento. Ello
implica que se desea que el material del tanque tambin sea resistente a los impactos, lo cual
implica otra propiedad, analizada a continuacin. En el caso de las varillas de refuerzo de
construcciones viales, el porcentaje de elongacin mnima requerida est en el orden de 14.5%.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 21
Figura Longitud calibrada de una probeta ensayada a traccin y deformacin de los segmentos
individuales de 25 mm
Fuente: Adaptado con datos de Higdon y colaboradores (1978)
1.2.3. Tenacidad
Como se mencion en la parte final de la seccin anterior, muchos materiales requieren que
adems de ser dctiles, sean capaces de soportar cargas aplicadas repentinamente, o de
impacto. La propiedad relacionada con esta capacidad de los materiales se denomina tenacidad
y se define como la habilidad de un material para absorber energa durante su deformacin
plstica. Esta energa de deformacin corresponde al rea bajo el diagrama de esfuerzo-
deformacin descrito en la seccin 1.2, por lo que un material con alta tenacidad podra
combinar un esfuerzo ltimo elevado Su con una alta ductilidad o deformacin plstica. Esta
energa se puede medir entonces a travs de procedimientos que tengan como fin medir la
energa necesaria para provocar la fractura de los materiales ensayados.
La tenacidad es una propiedad requerida en muchas aplicaciones relacionadas con la
infraestructura logstica, al verse sometidos muchos componentes a cargas de impacto, tal cual
ocurre cuando un vehculo pasa por una camino plagado de irregularidades y topes o cuando
ocurre un choque carretero.
La medicin de la tenacidad de los materiales consiste entonces en medir la energa asociada a
la fractura de los mismos. Dos ingenieros idearon en la segunda dcada del siglo XX sendos
mtodos de medicin de la energa consumida para la fractura de materiales: Edwin Gilbert Izod
(1876-1946) y Georges Augustin Albert Charpy (1865-1945). A ambos ingenieros se les ocurri
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 22
que la medicin de la energa potencial consumida por un pndulo para fracturar una probeta
podra servir como una medida de la tenacidad del material fracturado, como se muestra
esquemticamente en la Figura. De acuerdo con esta figura, el equipo de impacto comprende
un brazo que pivotea alrededor de un eje de baja friccin (punto O), provisto dicho brazo de una
masa en su extremo libre. La probeta a ser fracturada se coloca en un dispositivo de sujecin
en la parte baja de la trayectoria del pndulo resultante, de tal manera que esta probeta se
fractura por el impacto que recibe de la masa del pndulo. Y este tropiezo que tiene la masa
del pndulo al fracturar la probeta, es la principal causa por la que la masa del pndulo se
queda una distancia por debajo de la altura terica que debera haber alcanzado la masa,
dado que se tiene muy poca friccin en el pivote. De esta manera, la energa que es
absorbida por la probeta es , donde es la aceleracin de la gravedad (9.81
m/s2).
Figura Principio del pndulo para ensayar y determinar la tenacidad de los materiales
Respecto al diseo de la mquina de impacto descrita, es importante destacar el ingenioso
mecanismo del que est provisto, dado que al pndulo se le impide regresar una vez que ha
alcanzado la mxima altura, despus de fracturar la probeta.
En cuanto a las propiedades de los materiales, debes saber que la tenacidad y ductilidad de los
materiales son sensibles a la temperatura, de tal suerte que algunos metales cambian de
dctiles a frgiles por efecto de un descenso de temperatura.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 23
1.3. Propiedades intensivas
Estudiars ahora las propiedades que no dependen de la cantidad de materia presente. Esto
es, estas propiedades que podremos observar o medir en las sustancias, sea la cantidad de
estas un gramo o una tonelada. No obstante, debemos reconocer que esto se considera as
para simplificar los tratamientos que hacemos para el manejo de las sustancias. Esto es, es
difcil encontrarnos que todos los pedazos en que partamos una sustancia o material, tengan
exactamente los mismos valores para sus propiedades intensivas. Tales diferencias en estas
propiedades se deben a la naturaleza de las cosas, que se derivan de procesos de conformado
o manufactura que impiden que toda la materia tenga precisamente las mismas propiedades
intensivas.
Por ejemplo de esta situacin tomemos el color de los plsticos empleados en la manufactura
de un telfono celular o una computadora. Si vemos de cerca estas superficies observaremos
que no es uniforme el color, sino que existen algunas reas que hacen que el color no sea del
todo uniforme. Pues bien, esas diferencias en las tonalidades pueden tener diversas causas,
que tienen que ver con los pigmentos empleados en los plsticos y con el proceso mismo de
manufactura. Muchos ejemplos de esta variedad las podrs reconocer seguramente en el caso
del sabor, ya que diferentes partes de una fruta, pescado o bistec que comamos, tendr un
sabor ligeramente diferente de la dems sustancia. Esto es, en forma estricta, la propiedad de
sabor depender del tamao de porcin de fruta, pescado o carne que comamos, por lo que la
propiedad no es estrictamente intensiva.
En el caso de la distribucin de la masa en un cuerpo, tambin podrs imaginar que habr
pequeos volmenes en un cuerpo que no tengan el mismo peso que otras. Esto es, si
tomamos dos gises de yeso y medimos su peso con una balanza de precisin, observaremos
que no tienen exactamente el mismo peso, lo cual se debe a que uno de estos gises con
seguridad tiene mayor porosidad que el otro. Esto nos da la idea de lo que se ver en esta
unidad como peso especfico, el cual se refiere al cociente del peso del gis entre su volumen.
Sin embargo, como te podrs dar cuenta, para fines prcticos nos conviene asignar un mismo
valor promedio para las distintas propiedades intensivas de la materia. O sea, tomar en cuenta
las pequeas variaciones de las propiedades intensivas en una sustancia o cuerpo, no es
prctico dado que puede complicar innecesariamente el anlisis del comportamiento de la
materia ya que su efecto es, en general, despreciable.
En el estudio de la materia es siempre necesario hacer simplificaciones del tipo descrito por
cuanto a las propiedades intensivas, ya que de otra manera el anlisis se complica
innecesariamente. Debes saber que son tres las suposiciones que se hacen en ingeniera por
cuanto a la materia. Se dice que la materia es homognea, continua e isotrpica. La
homogeneidad se refiere a que cualquier pedazo de sustancia que estudiemos tendr las
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 24
mismas propiedades, sin importar de dnde la hayamos tomado de la pieza original. La
continuidad tiene que ver con la homogeneidad, aunque se refiere a que la materia no tiene
huecos. La isotropa es una caracterstica un tanto ms sutil, ya que se refiere a que un pedazo
de material posee las mismas propiedades, sin importar la direccin en la que se aplica la
carga. Aunque esta condicin se supone para muchos metales empleados en la logstica y el
transporte, a otros materiales no metlicos se les reconoce una caracterstica falta de isotropa
(llamada anisotropa). Estamos hablando, por ejemplo, de la madera, para la cual seguramente
habrs comprobado que comprimirla en direccin de sus vetas, es completamente diferente a si
la comprimimos en una direccin perpendicular a la de las vetas. O sea, que un poln de
madera debera siempre cargarse en la direccin de sus vetas.
1.3.1. Olor, sabor, color
Las propiedades en este subtema son organolpticas, al estar asociada su determinacin a
algunos de los sentidos del organismo. Estas propiedades revisten gran importancia en los
distintos escenarios de la vida, no solamente desde la perspectiva del gusto, buen comer o bien
oler, ya que representan medios para caracterizar las sustancias transportadas, pudindolas
clasificar de acuerdo a su peligrosidad. Por ejemplo, algunos gases inflamables como el natural
y el LP (Liquified petroleum), tienen adicionadas sustancias caractersticas que les permite
avisar que existe una fuga. En el caso del gas natural, dicho aditivo es el etilmercaptano, lo
que provoca un intenso y desagradable olor a huevo podrido. Es curioso, pero en su estado
natural, estos gases carecen de olor perceptible por los humanos.
En el transporte de sustancias peligrosas, nuestros sentidos del olfato y gusto tienen gran
importancia para el manejo seguro de estas sustancias, por lo que de alguna manera quienes
manejen este tipo de materiales deberan recibir algn tipo de entrenamiento para la deteccin
de fugas.
En la actualidad, el gas LP est siendo empleado cada vez ms en los vehculos de transporte,
dadas sus caractersticas de alta eficiencia trmica y pocas emisiones contaminantes a la
atmsfera. Actualmente este tipo de combustible, en dos modalidades, comprimido y licuado,
est siendo promovido de usarse en Estados Unidos, donde se le conoce como CNG
(compressed natural gas), o LNG (liquefied natural gas).
Por otro lado, en el caso de logstica de materiales refrigerados, son empleados algunos gases
de olores caractersticos, como el amoniaco.
El olor y el gusto (sabor) son conocidos como los sentidos qumicos, para los cuales los seres
humanos estamos equipados con receptores que estn distribuidos en la zona buco-nasal-
garganta. Es interesante saber que estos sentidos interactan cuando se trata de alimentos, ya
que sin el sentido del olfato los sabores de los alimentos seran diferentes. Un experimento
interesante de esta interaccin entre los sentidos consiste en taparse la nariz y probar una
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 25
manzana y una papa, lo que provocar que se tengan dificultades por distinguir cul de los
alimentos se est probando. La prdida del sentido del olfato constituye entonces una situacin
grave para la salud general del individuo, al afectarse el sentido del gusto. Los aspectos
psicolgicos de los olores es crtica en muchas aplicaciones, en particular en el caso del
comercio de productos de limpieza e higiene personal.
El sentido del olfato consiste bsicamente de un rgano llamado epitelio olfatorio, el cual est
localizado en la parte superior de los pasajes o cornetes nasales y se conectan con la base del
cerebro (lbulos temporales derecho e izquierdo). Los millones de clulas cabelludas
enraizadas en el epitelio olfatorio, sensan las molculas voltiles que se admiten a la nariz, y
traducen esta informacin en impulsos nerviosos que se transmiten al cerebro a travs de las
clulas mitrales. Este sentido es altamente subjetivo, aunque se han hecho muchos esfuerzos
por caracterizar los olores de una manera objetiva.
Figura Receptores del sentido del olfato humano
Fuente: Adaptado de Geldard (1976)
Lo ms prximo a la caracterizacin de los olores ha consistido en su clasificacin de la
siguiente manera: alcanforado, almizclado, floral, mentolado, etreo, picante y podrido.
(Geldard, 1976).
De esta forma, en el contexto logstico y de transporte, es importante tener operadores con
buen sentido del olfato, en la medida que este sentido aparentemente existe como un medio de
proteccin. Tambin debe tomarse en cuenta que la prdida de este sentido puede ser
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 26
temporal, provocada por infecciones de origen bacterial o viral o como producto de alergias. La
prdida del sentido del olfato es entonces una enfermedad grave, que se denomina anosmia.
El sentido del gusto o de sensado del sabor de las cosas consiste de papilas gustativas
localizadas en la lengua, las cuales se especializan en los distintos sabores reconocidos:
amargo, cido, dulce y salado. En la lengua se localizan aproximadamente 10000 clulas
gustativas que se agrupan en estructuras conocidas como papilas gustativas. La Figura
siguiente muestra las regiones especializadas del sabor para estas papilas gustativas, para
detectar los diferentes sabores. De acuerdo a esta ilustracin, la parte central de la lengua no
detecta sabor alguno y los diferentes alimentos excitarn las diferentes reas en funcin de su
naturaleza. Por ejemplo, beber caf estimula las papilas para acidez y amargura, mientras que
un refresco de cola estimular tambin el rea se sensibilidad a lo dulce.
Figura Mapa de las reas de la lengua para la mxima sensibilidad a los diferentes sabores
Fuente: Elaboracin propia con informacin de Geldard (1976)
Para un (una) ingeniero(a) en transporte y logstica, es importante saber que la sensibilidad a
los sabores puede verse afectada por las adicciones de los (las) conductores(as).
Por ejemplo, el consumo de cocana inhibe la sensibilidad gustativa gradualmente, empezando
por lo cido, luego lo dulce y salado y finalmente lo amargo. La prdida del sentido del gusto
puede entonces ser un indicador de las adicciones que puede tener un (una) conductor(a).
El color de los objetos y sustancias tiene que ver con la visin, la cual suele considerarse como
el ms complejo de los sentidos, ya que a partir de la luz que los cuerpos reflejan es posible
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 27
percibir su color, la forma, profundidad, textura y condicin de movimiento. Uno de los defectos
relacionado con la visin y los colores se refiere a la dificultad de diferenciarlos, conocido como
daltonismo, lo que representa un riesgo para cualquier persona que necesita interpretar la
variedad de tipos de seales que enfrenta durante un recorrido, las cuales precisamente usan
los colores para especificar su intencin (verdes, amarillas, rojas, azules). La Figura ilustra
ejemplos del uso de los colores como parte del lenguaje informativo vial.
Figura Ilustraciones de sealamientos coloreados
Fuente: Romero (2007)
La parte de los ojos encargada de distinguir los colores es la retina, que contiene dos tipos de
clulas receptoras: los conos, que son encargados de la visin a colores; y los bastones, que
son los encargados de sensar la intensidad luminosa. La funcin de estos elementos se da de
manera complementaria, de tal suerte que en la penumbra no es posible ver los colores puesto
que no hay suficiente luz para estimular los conos, pero s es posible ver sombras y destellos de
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 28
luz porque se tiene suficiente luz para estimular los bastones. La teora ms aceptada con
relacin a la sensibilidad a los colores es la teora tricromtica, la cual sugiere que existen tres
tipos de conos, sensibles a los colores azul, rojo y verde, respectivamente. La intensidad con la
que son estimulados estos grupos induce la visin de otros colores tales como el amarillo. Se
indica que una persona con visin normal estara necesitando solamente las longitudes de onda
correspondientes a los colores indicados, y que existen personas quienes pueden en un
momento dado tener deficiencias en estas sensibilidades, por lo que no son capaces de ver
ciertos colores. Respecto a los colores y la visin, existen fenmenos de retencin de imgenes
en los que los colores originales son alterados por el cerebro.
De esta forma, un (una) ingeniero(a) en transporte y logstica debe tener conocimiento de los
fenmenos de la vista, que relacionados con los colores pueden afectar la eficiencia y
seguridad de manejo, trtese de enfermedades como el daltonismo o la retencin y alteracin
de imgenes. En este contexto, la luz de cortesa de los tableros automotrices debe proveer un
estmulo que no altere la agudeza visual. Al respecto, se indica que una luz tenue de color
verde emitida por el tablero, mantiene la pupila abierta, de tal suerte que el operador no sufre
una ceguera temporal al recibir un impacto luminoso intenso.
Aunque no est relacionado directamente con los colores, el punto ciego de los ojos representa
tambin una situacin peligrosa, de la que hay que tomar las previsiones adecuadas.
1.3.2. Punto de ebullicin, punto de fusin y punto de explosin
Regresando a las propiedades fsicas de los materiales, ahora se revisarn algunas
propiedades termofsicas de la materia, las cuales involucran un cambio o transicin de fase de
la materia. Las diferentes sustancias pueden experimentar cambios de estado siempre y
cuando la aplicacin de calor no implique una descomposicin de la materia. Las sustancias
que pueden experimentar cambios de estado por efecto de aplicar o remover calor, se
denominan sustancias puras. El caso ms conocido es el agua, H2O, la cual puede existir en
sus tres estados al cambiar su temperatura. Otras sustancias de este tipo incluyen al alcohol
etlico, anhdrido sulfuroso. Todas estas sustancias son susceptibles de ser transportadas y por
lo tanto se requieren conocer los procesos a los que pueden quedar sometidos por efecto de los
cambios de temperatura.
Para explicar los conceptos involucrados en los cambios de fase de las sustancias, se tomar
un ejemplo de cmo una sustancia pura cambia de fase por efecto de la aplicacin de calor. En
un concepto simple inicial, en el punto de ebullicin de una sustancia ocurre una transicin de
lquido a vapor, mientras que el punto de transicin slido a lquido se denomina punto de
fusin.
Considera que se pudiera tener hielo triturado en el refrigerador a una temperatura de -20C, y
que gradualmente se le aplicar calor mediante algn medio especial, a una velocidad
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 29
constante (determinados kJ cada minuto). Al comienzo del proceso, el calor suministrado no
provocar un cambio de fase del hielo, sino que ocasionar nicamente la elevacin de su
temperatura. Si se contina aplicando calor, se llegar al punto en el que se presente la
transicin de slido a lquido, lo cual ocurrir aproximadamente a 0C. Un termmetro colocado
en el recipiente que contiene al hielo slido y al agua indicar una temperatura constante. Si se
contina aplicando calor se llegar al punto en donde todo el hielo se habr licuado o fundido,
con lo que la temperatura del agua resultante se comenzar a elevar. Como resultado de la
aplicacin continua de calor se llegar al punto en que comenzarn a aparecer burbujas en el
lquido, seal del inicio del proceso de ebullicin, el cual se completar al alcanzar toda la masa
de agua una temperatura de 100C. Una vez que toda el agua haya pasado al estado gaseoso
(vapor), la temperatura de gas comenzar a incrementarse.
El proceso descrito en el prrafo anterior se ilustra en funcin de la temperatura y tiempo en la
Figura, en donde los datos sugieren diferentes calores necesarios para cambiar el estado de la
materia y para elevar su temperatura, en funcin del estado de la materia. El calor necesario
para cambiar el estado de la materia se le conoce como calor latente, que en el caso de la
transformacin de lquido a gas toma el nombre de calor latente de ebullicin. Como se
describi, durante la etapa de transformacin de estado no existe cambio de temperatura. En el
caso de la elevacin de temperatura, una vez que la sustancia se encuentra toda en una sola
fase, al calor consumido se le conoce como calor sensible. Asumiendo un flujo de calor
constante, se identifican entonces en este proceso dos diferentes velocidades de calentamiento
de la materia slida, lquida o gaseosa, y dos calores necesarios para cambiar de fase. La
pendiente designara en este diagrama la velocidad de calentamiento durante la etapa en la
que se tiene hielo; correspondiendo las pendientes y cuando se calienta lquido y gas,
respectivamente.
De esta forma, la velocidad de calentamiento es menor en el caso de la sustancia H2O en
estado gaseoso y las temperaturas de transformacin son como sigue: a cero grados
centgrados se da la transformacin de slido a lquido (lnea - ), mientras que de a se
da la transformacin de lquido a gas (vapor).
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 30
Figura Cambios de fase de una masa de H2O
De esta forma, el agua en estas condiciones exhibe un punto de ebullicin de 100C y un punto
de fusin de 0C. Sin embargo, estas mediciones se habran realizado a una cierta presin
atmosfrica, de 760 mm de mercurio en este caso y seran ligeramente diferentes a otras
presiones.
Como especialista en logstica y transporte t debes tener un conocimiento general de los
puntos de ebullicin de las sustancias transportadas, en especial las que son voltiles como los
combustibles y sustancias inflamables. En caso de congelamiento de las sustancias
transportadas, deben seguirse procedimientos especficos para descongelar los productos
transportados. Por otro lado, los combustibles empleados para los vehculos tambin pueden
llegar a congelarse, provocando mltiples problemas tractivos. Es necesario saber que la
temperatura de congelamiento de los combustibles fsiles se encuentra en el rango de -40 C a
-50 C, mientras que sus temperaturas de ebullicin se encuentran en el rango de 35 a 40 C.
En una situacin de congelamiento del agua, los pavimentos que conforman la infraestructura
logstica pueden sufrir un dao sensible cuando la humedad que contienen cambia de fase,
provocando el agrietamiento del material del pavimento, particularmente en el caso de
pavimento asfltico. Para mantener el agua en estado lquido, los ingenieros de caminos vierten
sal a los pavimentos con objeto de descender las temperaturas por debajo de los - 4 C. Con
ello se trata de mantener la circulacin segura de los vehculos, que de otra manera tendran
que circular sobre hielo. Como se ver ms adelante, estas sustancias que los (las)
ingenieros(as) de caminos vierten a los pavimentos, tienen sin embargo consecuencias sobre
los puentes carreteros, al provocar dao corrosivo tanto al concreto como al acero de refuerzo o
estructural.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 31
Para tomar en cuenta el efecto de la presin atmosfrica sobre los puntos de ebullicin y de
fusin, se construyen diagramas denominados de fases, los cuales grafican los estados de la
materia en funcin de las temperaturas y presiones prevalecientes. En estos diagramas, por
ejemplo, se pueden ver las condiciones en las que una sustancia pura puede cambiar
directamente del estado slido al gaseoso, an sin pasar por el estado lquido (sublimacin). La
Figura ilustra un diagrama de fases para el agua, identificando los puntos triple y crtico. De
acuerdo con este diagrama, bajo ciertas condiciones de presin y temperatura, los tres estados
de la materia pueden tenerse simultneamente (punto triple). Por otro lado, tambin bajo ciertas
condiciones de presin muy baja, de hielo puede pasar a vapor de agua.
Figura Diagrama de fases para el agua
Fuente: Elaboracin propia con datos de Sears (1971)
El punto crtico del agua se reconoce como el punto en el cual termina la frontera entre los
estados lquido y gaseoso. Las sustancias combustibles, transportadas o usadas, exhiben
diferentes temperaturas que tienen que ver son su peligrosidad.
Para visualizar las diferentes caractersticas fsico-qumicas de los materiales combustibles se
describe lo que ocurre durante el calentamiento controlado de un combustible, como se muestra
en la Figura siguiente, mostrando dos situaciones: en la parte izquierda se ilustra un lquido
combustible voltil a una temperatura tal que los vapores emanados no alcanzan una
combustin continua, sino que solamente crean destellos o flasheos.
218 atm
1 atm
4.5 mm Hg
0 100 374 C 0.0098
Punto triple
Punto crtico
Vapor
Lquido
Slido
Temperatura
Pre
si
n
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 32
En la parte derecha de esta figura se muestra una situacin posterior, en la que la aplicacin
continua de calor provoca que el lquido combustible se autoenciende, sin necesidad de la
fuente de calor de la llama incluida en la ilustracin de la parte izquierda de la figura. Estas
situaciones ilustran lo que se conoce como punto de flasheo y punto de autoignicin. En esto
se debe aclarar la terminologa empleada.
Por cuanto al flasheo, este trmino es tomado del ingls flashing point y ha sido empleado por
empresas tan importantes como Petrleos Mexicanos. La expresin normalizada para este
trmino es temperatura de inflamacin, la cual no representara con exactitud el fenmeno.
Por cuanto a la temperatura de autoignicin, sta tambin se le conoce como temperatura de
ignicin.
Figura Temperaturas de flasheo y de autoignicin
De esta manera, tomando en cuenta el proceso gradual de calentamiento descrito en la figura
anterior, el punto de flasheo se define como la temperatura mnima a la cual un slido o lquido
emite la suficiente cantidad de vapores como para formar una mezcla combustible con el aire en
el espacio cercano a la superficie entre el lquido y el slido. Por otro lado, la temperatura de
ignicin o de autoignicin, es la temperatura ms baja a la cual una mezcla vapor-aire puede
continuar ardiendo. Por cuanto al punto de explosin, ste corresponder a la temperatura de
ignicin, alcanzada en espacios cerrados los cuales promueven la concentracin de vapores
combustibles.
La peligrosidad de un lquido inflamable queda entonces definida en funcin de la temperatura
de flasheo, guardando cierta relacin con la temperatura de ebullicin descrita en la parte inicial
de este subtema. La grfica en la figura ilustra las tres propiedades revisadas de algunos
combustibles, en donde se puede observar que no necesariamente la temperatura de
Flama externa
Destellos o flasheos
Vapores combustibles
Liquido
Quemador Bunsen
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 33
autoencendido correlaciona con la temperatura de flasheo. Por ejemplo, el combustible diesel
tiene una temperatura menor de autoignicin respecto a la de la gasolina, sin embargo, posee
un punto de flasheo menor, con lo que su peligrosidad es menor que la de la gasolina. Al
respecto, se han definido cinco niveles de riesgo basados en el punto de flasheo de los
materiales, como se ilustra en la Tabla. De acuerdo con esta clasificacin, todas las sustancias
de la figura son de riesgo extremo a alto, siendo el acetaldehdo y la gasolina los de mayor
peligrosidad.
De esta manera, en el caso de trabajar con ambientes inflamables derivados del transporte de
combustibles o la utilizacin de los mismos, es necesario que el (la) ingeniero(a) de logstica y
transporte conozca las propiedades bsicas de estas sustancias por cuanto a su riesgo de
incendio, as como las posibles fuentes de ignicin, de entre las cuales se incluyen hasta los
focos incandescentes. Otras fuentes de ignicin incluyen las chispas derivadas de la
electrosttica o de equipos elctricos y, por supuesto, las llamas abiertas como los cerillos y
cigarrillos. Al respecto, una reduccin de la electrosttica se logra mediante el uso de
vestimenta hecha de algodn, la cual es una norma en los centros donde se maneje o
almacene combustible. Una situacin an ms peligrosa se asocia al manejo de materiales que
pueden auto-encenderse, como en caso de los trapos impregnados de aceite y pintura.
-100
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura de autoencendido Punto de ebullicin Punto de flasheo
0 C
Propiedad
Acetaldedo Acetona Gasolina
Benceno Alcohol etlico Diesel
Figura Propiedades de sustancias transportadas
Fuente: Adaptado de ET (2012)
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 34
Niveles de riesgos en funcin de los puntos de flasheo
Muy bajo riesgo Punto de Flasheo > 93C
Bajo riesgo moderado Punto de Flasheo entre 66 C y 93 C
Riesgo de moderado a alto Punto de Flasheo entre 38 C y 66 C
Riesgo extremo a alto Punto de Flasheo entre -18 C y 38 C
Riesgo extremo Punto de Flasheo < 18 C
Fuente: Adaptado de NTP (2012)
Actividad 1. Las propiedades de los materiales
Ahora es momento de realizar algunas prcticas que te ayudarn a comprender mejor las
propiedades de los materiales.
1. Descarga y lee el documento. Act1.Las propiedades de los materiales
2. Rene todos los materiales solicitados y realiza cada una de las prcticas
indicadas
3. Al concluir integra un reporte en donde expliques las conclusiones a las que
llegaste y las dificultades que se te presentaron al realizar la actividad.
4. Finalmente guarda tu documento en un archivo .doc con la nomenclatura
FQM_U1_XXYZ y envalo a tu Facilitador(a) para que te retroalimente.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 35
1.3.3. Densidad, calor especfico, solubilidad, viscosidad
El trmino densidad implica una medida de la distribucin de una cantidad fsica por unidad de
longitud, rea o volumen. Las cantidades fsicas a las que se refiere incluyen la masa, la
electricidad o la energa. Tendrs entonces una idea de muchas cantidades que podras
describir en estos trminos.
La primera propiedad que se ver es la densidad de masa, la cual no implica un pleonasmo
dado que es una medida de cmo se distribuye la masa en el volumen que ocupa. Sin
embargo, de aqu en adelante, cuando se mencione la palabra densidad nos estaremos
refiriendo a esta densidad de masa ( ), que se expresa de la siguiente manera:
v
m
donde m es la cantidad de materia, expresada en kg, libras o slugs y v es el volumen que ocupa
dicha masa, expresado en m3, pie3, cm3, dm3, litro, entre otras unidades.
Una idea de cmo la masa se distribuye en el espacio la puede dar la neblina, que se dice que
est muy densa cuando efectivamente hay mucho vapor de agua por unidad de volumen. Una
unidad derivada de esta propiedad es el peso especfico ( ), el cual resulta del producto de la
densidad por la aceleracin de la gravedad (g), de la siguiente manera:
v
mgg
En el contexto del transporte y de la infraestructura logstica, la densidad de las sustancias tiene
gran importancia, al afectar diversos aspectos del transporte e infraestructura. Por ejemplo, la
reglamentacin de pesos y dimensiones especifica que el peso de los equipos no deber ser
mayor a ciertos valores, que tienen que ver con el deterioro de los pavimentos. Y estos pesos
totales deben respetarse, sin importar el tipo de sustancia transportada ni su estado, sea slido,
lquido o gas. Pero resulta que en el caso de las sustancias lquidas, los recipientes son
metlicos y tienen una capacidad fija, siendo diseados para cierto volumen fijo de materia,
cuyo peso total depender precisamente de la densidad del fluido transportado.
Por lo tanto, con tal de cumplir con el reglamento de pesos y dimensiones, una situacin
peligrosa puede llegar a presentarse, en la que el tonel del autotanque o pipa tiene que ser
transportado con un llenado parcial, con la consecuente libertad del fluido para hacer olas en el
interior del recipiente, desarrollando fuerzas que afectan la estabilidad del vehculo. Al respecto,
bajo esta condicin de llenado parcial es que ocurren el mayor porcentaje de accidentes del tipo
volcadura de pipas. De esta forma, el uso de un mismo tonel para transportar sustancias de
diferente densidad puede conllevar algn riesgo.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 36
Para ilustrar lo anterior se presenta la siguiente figura que muestra un recipiente de 20000 litros,
diseado para transportar un hidrocarburo lquido, cuya densidad est en el rango de 0.85
kg/dm3. Mientras que la masa total de la sustancia ser de 17000 kg, el peso total ser de
166770 N, con lo que el tanque quedar casi lleno (98%), dado que es necesario dejar un
pequeo volumen para expansin trmica del fluido y alojar los vapores generados. Pero este
mismo transporte si ahora se carga con agua, con densidad de 1 kg/dm3, el tanque no podr ser
llenado hasta 98%, sino hasta 83.3% con objeto de no sobrepasar el peso total permitido.
Figura Representacin esquemtica de un autotanque cargado con fluidos de diferentes
densidades
Esta diferencia en el nivel de llenado provocar que el autotanque viaje a un nivel en el que el
oleaje le provocar dificultades al realizar curvas y frenados. El operador de la unidad deber
ser an ms cauteloso al efectuar estas operaciones.
En el contexto de las infraestructuras logsticas, tambin el concepto de densidad tiene gran
importancia, en particular cuando se trata de los materiales granulares empleados en la
construccin de carreteras. En este caso, t sabes que deben regularse la permeabilidad o
porosidad de las mezclas asflticas, dado que en buena medida de ello depende la capacidad
estructural de los pavimentos asflticos. Esto es, los diferentes tamaos de piedras empleados
tienen como objetivo darle cierta permeabilidad a la mezcla, al tiempo de darle la capacidad
deseada para transmitir al suelo y subsuelo las cargas de las llantas de los vehculos. Al
respecto, se tiene entonces que la cantidad de materia (kg), que se puede incorporar por unidad
de volumen en una mezcla de material granular, depender del tamao de la piedra empleada o
de los porcentajes de material de los diferentes tamaos de malla empleados. Por lo tanto,
entre ms pequeo sea el tamao de partcula, mayor ser la densidad de la mezcla de
material ptreo. Con objeto de estandarizar la nomenclatura correspondiente, en la ingeniera
de vas terrestres se maneja lo que se denomina densidad aparente, dado que no
corresponde a la del material ptreo en s, sino a la mezcla de material granular considerado, el
cual involucrar una cantidad de huecos. Como se indic en el subtema 1.1.3, la cantidad de
estos huecos es crtica para el desempeo eficiente del pavimento.
La otra propiedad que se revisar es el calor especfico (cp), el cual de alguna manera se hizo
referencia cuando se trat el tema de punto de ebullicin (subtema 1.3.2), al mencionar la
98%
83.3%
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 37
cantidad de calor que se requera para elevar la temperatura de la masa de hielo, agua y vapor,
en donde la cantidad de calor dependa del estado de la materia. El calor especfico se define
como la cantidad de calor necesaria para elevar en una unidad de escala termomtrica, la
temperatura de una masa unitaria de sustancia. Las unidades de esta propiedad de la materia
son las de energa por unidad de masa, pudiendo ser entonces J / kg K o BTU / lb F,
dependiendo del sistema de unidades empleado, donde BTU es la Unidad Trmica Britnica.
El calor especfico es una propiedad de la materia que depende de su estructura atmica y
composicin qumica, que define bsicamente sus propiedades de conduccin trmica, de tal
suerte que calentar un lquido ser ms fcil que calentar un gas. Por otro lado, al depender de
la transmisin de la energa en el interior mismo del material, el calor especfico de una
substancia dada, depende de la temperatura a la que se encuentre. La grfica siguiente ilustra
algunos valores para esta propiedad en el caso de gases y lquidos seleccionados. Como se
puede distinguir en esta grfica, los gases pueden variar en sus propiedades ms que los
lquidos, ya que el Helio y el Argn estn por encima y debajo de los lquidos seleccionados.
Por otra parte, esta propiedad en el caso de los lquidos tiende a ser ms sensible a la
temperatura, creciendo con la temperatura. Los gases muestran una muy baja sensibilidad a la
temperatura, a excepcin del bixido de carbono, representado como CO2. El calor especfico
del agua exhibe una peculiar variacin respecto a la temperatura, incrementndose fuertemente
su valor una vez que se rebasan 200C. De esta forma, entre mayor sea la temperatura, mayor
ser el calor necesario para elevar su temperatura.
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 38
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 200 400 600 800
Cp, J
/kg0
K
Temperatura, 0C
HelioArgnCO2AguaEtilen glicolAmoniacoMetil alcoholFreon 11GasolinaAceite SAE+Hoja1!$2:$2 10
Figura Calor especfico de algunas sustancias
Fuente: Elaboracin propia con datos de Holman (2000)
El calor especfico de las sustancias tiene un efecto sobre el transporte de sustancias y sobre la
infraestructura logstica, en diferentes circunstancias, en la medida que los cuerpos requerirn
cantidades distintas de calor para incrementar su temperatura y, como consecuencia de este
incremento de la temperatura, pueden suceder diversos efectos. En el contexto del transporte,
pueden concurrir diferentes fuentes o sumideros de calor, en funcin de la carga transportada.
Si se requiere refrigeracin para las cargas transportadas, el sistema de refrigeracin deber
aumentarse en capacidad en caso de que las sustancias tengan un valor mayor de calor
especfico. Por otro lado, el calentamiento de las sustancias podra suceder por efecto de la
radiacin solar para cajas secas no refrigeradas, o simplemente aisladas. Igual es aplicable
para la disminucin de la temperatura.
Otros efectos del calor especfico de las sustancias transportadas tiene que ver con su
expansin y potencial peligrosidad. Como se mencion al principio de este subtema, los
compartimientos tipo tonel de los autotanques y pipas, deben dejar siempre un espacio vaco
para dar posibilidad de que las sustancias transportadas se expandan libremente.
Cuerpo humano (promedio)
Fsico qumica de materiales
Unidad 1.Propiedades fsico qumicas de los materiales
Ciencias Exactas, Ingenieras y Tecnologa | Logstica y Transporte 39
De esta forma, una cantidad de insolacin durante el transporte de diferentes sustancias, tendr
un efecto diferenciado en funcin del calor especfico de tales sustancias.
La solubilidad se refiere a la cantidad de substancia que se disolver en una cantidad dada de
otra sustancia, formando una fase homognea en la que las sustancias no son distinguibles.
Una sustancia se disuelve en otra al tomar otra fase como producto de esta mezcla, existiendo
entonces para ello dos elementos en este proceso: por un lado se tiene al solvente, que es el
lquido, slido o gas que disuelve y por el otro lado el soluto, que es la sustancia que es
disuelta, que puede estar en estado slido, lquido o gaseoso. Por cuanto a los solventes
lquidos, los hay desde los ms comunes y amigables, hasta los ms peligrosos y agresivos. En
el extremo de los amigables se tiene desde luego al agua, que es capaz de disolver gran
cantidad de sustancias en funcin de su afinidad qumica y fsica. De esta manera, puede
disolver una pintura acrlica, as como un trozo de tierra de cultivo. En el extremo opuesto se
tienen los cidos, que son capaces incluso de disolver materiales slidos como los huesos.
Como ingeniero(a) en logstica y transporte requieres tener presente la solubilidad de los
materiales de transporte a la luz de los materiales transportados. Los solventes lquidos son en
general hidrocarburos que pueden disolver otros hidrocarburos tales como el PVC
(polivinilcloruro) o incluso hule. Las gasolinas son poderosos solventes de materiales plsticos,
por lo que su transporte debe hacerse despus de una adecuada seleccin de los materiales
contenedores. Por otro lado, algunos solventes son fuentes de adiccin, al alterar al sistema
nervioso, por lo que se requiere seleccionar cuidadosamente a las personas encargadas del
manejo de solventes, ya que v