Calor y temperatura

La cerámica es el resultado que se obtiene aplicando energía en forma de calor a las suspensiones que hemos visto. 

Para aplicar esa energía calorífica se emplean los hornos, que funcionan porque están equipados con dispositivos que son fuentes de calor.

El calor de los hornos cerámicos se logra por reacciones químicas o por fenómenos físicos: la combustión de un combustible, la resistencia al paso de intensidad eléctrica, o la absorción de microondas de determinados materiales. 

El horno es una estructura destinada a retener el calor generado por las fuentes de calor, sean las que sean y para ello, se construye con materiales refractarios que impiden que el calor se disperse.

Calor y temperatura no es lo mismo. La temperatura es el movimiento interno de las partículas que constituyen la materia. La temperatura es una consecuencia de la absorción del calor por la materia. A una temperatura concreta cada sólido cambiará de sólido a líquido porque a esa temperatura el movimiento de las partículas que constituyen la red cristalina del sólido es suficiente para abandonar sus posiciones de equilibrio. 

Para lograr que la temperatura aumente, es decir, para lograr que la vibración de las partículas sea cada vez mayor, se necesita energía en forma de calor. El calor es una forma de energía.  El calor se puede obtener de muchas formas, pero en los hornos cerámicos actuales tan solo se emplean tres tipos de fuentes de calor: la combustión, la radiación de resistencias eléctricas, la absorción de microondas por determinados materiales.

El calor se transmite desde la fuente que lo origina de tres formas: conducción, convección y radiación. En la conducción el calor se transmite por contacto entre partículas adyacentes de un sólido, en la convección hablamos de partículas que se mueven en un gas hasta que chocan contra otra/s partículas y en la radiación hablamos de que una partícula emite una onda que alcanza otras partículas sin que haya choque entre ellas.

Conducción

  • En la conducción del calor a través de un sólido, la actividad creciente de las partículas de la red cristalina producida por el aumento de la temperatura se transmite de una partícula a otra, extendiéndose así a través del cuerpo que se está calentando. 

Dependiendo del sólido la conducción del calor a través de él será mayor o menor. A esta propiedad de los materiales la llamamos Conductividad térmica

Un material tiene alta conductividad térmica cuando deja pasar el calor por él, es decir, es un material capaz de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Los materiales refractarios son muy porosos y están muy granulados de forma que contienen aire (el aire es muy poco conductor térmico) lo cual se traduce en que tienen conductividad térmica baja y se emplean como aislantes térmicos. 

Por ejemplo, la plata es uno de los mejores conductores térmicos (tiene un factor de conductividad de 1715), mientras que un ladrillo refractario conduce muy mal el calor (tiene un factor de conductividad de 3).El valor de la conductividad a través de las paredes del horno determina la cantidad de calor perdido y con ello la capacidad del horno de servir como depósito de calor. 

Destacan como materiales con baja conductividad térmica Circonia (ZrO2), ‘Alúmina (Al2O3) y Sílice (SiO2) además de algunas fibras de carbono-carbono y NZP (sodium zirconium phosphate). 

Convección

En el caso de la convección, un líquido o gas se mueve porque ha sido calentado y transmite su calor a cualquier otra superficie que toca. En el caso de los hornos, la convección se produce cuando los gases calientes se trasladan a través del horno transmitiendo algo de su calor a las superficies que entran en contacto con ellos. 

Radiación

La radiación es otra forma de transmisión del calor. La radiación térmica o calorífica consiste en la emisión de ondas electromagnéticas.​ Representa la conversión de energía térmica en energía electromagnética. La energía térmica equivale a la energía cinética de los átomos presentes en la materia, que se mueven e interactúan entre ellos. Al estar los átomos compuestos de partículas con carga eléctrica —protones y electrones— su movimiento conlleva una aceleración de las cargas y la generación de campos electromagnéticos y emisión de fotones que transportan la energía fuera del objeto a través de su superficie. Cuando la temperatura se eleva, los átomos emiten radiación en forma de fotones (que van desde infrarrojos hasta blancos azulados), que será más energética cuanto mayor sea la temperatura. Esta radiación, a su vez, es absorbida por otros átomos, produciéndose así el intercambio y transmisión del calor. De hecho, el color de los hornos a alta temperatura corresponde a la radiación electromagnética intercambiada por los átomos del horno. Este mecanismo de transmisión del calor es el más importante en los hornos eléctricos.

Para elevar la temperatura del horno debemos suministrar calor o energía. La energía se suele medir en julios y el calor en calorías, pero ambas unidades se refieren a lo mismo y su relación es  1 caloría = 4,184 julios. La caloría se define como el calor necesario para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua a temperatura ambiente. 

Sea cual sea la forma o formas en las que el calor llega a la superficie de una pieza cerámica que tenemos en el interior de un horno, parte de dicho calor será reflejado, parte será absorbido y parte será transmitido de nuevo. Las partículas que están en el interior de la pieza (más allá de la superficie que recibe directamente el calor por convección y radiación) recibirán sobre todo el calor de otras partículas adyacentes a través de conducción, y dicha conducción necesita cierto tiempo para progresar. 

Esto significa que para lograr que la pieza cerámica absorba el calor necesario, además de alcanzar una temperatura determinada, se necesitará cierto tiempo. En otras palabras, el estado de cochura de una pieza cerámica va a depender de la temperatura que alcancemos en el horno y también de la velocidad a la que se haya alcanzado dicha temperatura. Esto puede verse claramente con los conos pirométricos. Un cono 6 se dobla a 1185ºC con una rampa de  15 ºC/hora, o a 1222 ºC con una rampa de 60 ºC/hora, o a 1243 ºC con una rampa de 150ºC/hora.

Calor generado por combustión

La combustión es una reacción química exotérmica que se desarrolla en fase gaseosa o heterogénea (líquido-gas, sólido-gas) y puede manifestarse con llamas o con radiaciones visibles.

La reacción química de la combustión consiste en una oxidación  ​de los materiales llamados combustibles (compuestos de carbono, hidrógeno o azufre) en presencia de oxígeno (llamado comburente) que provoca un gran desprendimiento de calor.

Las reacciones que se producen en la combustión son las siguientes:

C + O2 🡪 CO2 + 33.875 kJ/kg de C

H2 + ½ O2 🡪 H2O + 143.330 kJ/kg de O2

S + O2 🡪 SO2 + 8.958 kJ/kg de S

La llama es la propia reacción de combustión que se propaga por el espacio. Para que tenga lugar la combustión se tiene que alcanzar la temperatura de ignición. Todas las reacciones de combustión tienen lugar en este medio gaseoso que es la llama. Una vez iniciada, si se aportan el combustible y comburente suficientes, a la misma velocidad con que se propaga el frente de llama, la llama se estabiliza y persiste, aunque se retire la energía de activación inicial.

Veamos un ejemplo en el que tenemos un horno de combustión cuyo combustible es el propano cuya fórmula es C3 H8. La reacción de combustión en este ejemplo sería la siguiente:

C3H8 + 5O2 = 4H2O + 3CO2

Es decir, en presencia de suficiente oxígeno para quemar el propano, obtenemos agua en forma de vapor y dióxido de carbono (además de energía en forma de calor), y esto es lo que llamamos atmósfera oxidante. La combustión es limpia, la llama es azul, y es eficiente porque se quema todo el combustible. 

Calor generado por resistencia eléctrica

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor​ debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado; esto provoca continuas colisiones y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable.

E = I2 x R x t

La energía disipada está en función del cuadrado de  la intensidad eléctrica, de la Resistencia eléctrica del conductor y del tiempo.

Otra forma de lograr calentamiento es el llamado calor por Inducción. Solo puede utilizarse con materiales conductores, por lo que no se aplica a los procesos cerámicos. En cualquier caso, aclarar que el calor por inducción también utiliza el efecto Joule.

Calor generado por susceptores de microondas

Se denomina microondas a las ondas electromagnéticas con frecuencias entre 300 MHz y 30 GHz​  (o sea un periodo de oscilación entre 3×10−9 s y 33×10−12  s,  y longitudes de onda entre 1m y 10 mm). Hay determinados estándares que limitan el rango de frecuencias de las microondas entre 1 GHz y 30 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 10 milímetros.

Las microondas están dentro de las ondas consideradas de radiofrecuencia.

Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas en dos categorías: dispositivos de estado sólido (transistores FET y BJT, diodos Gunn e IMPATT) y dispositivos basados en tubos de vacío (magnetrón, klystron, TWT y girotrón). 

Además de utilizarse en telecomunicaciones, radares y en el máser, una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno microondas.

Este tipo de horno usa un magnetrón para producir ondas de frecuencia 2,45 GHz que hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, generando calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera. 

Este proceso se denomina calentamiento dieléctrico (conocido también como calentamiento electrónico, calentamiento por RF, calefacción de alta frecuencia o diatermia). Se debe a que hay moléculas cuya estructura forma dipolos eléctricos (como la del agua), lo que significa que tienen una carga positiva parcial en un extremo y una carga negativa parcial en el otro, y por tanto oscilan en su intento de alinearse con el campo eléctrico alterno de los microondas. Al rotar, se producen rozamientos y choques, que son los que elevan la temperatura. Las ondas electromagnéticas agitan las moléculas  y se eleva la temperatura. Esta agitación es un mecanismo físico, simple movimiento de las moléculas al ritmo de la frecuencia.

Los materiales dieléctricos susceptores absorben por tanto las ondas microondas y las transforman en calor. El agua es el susceptor más conocido ya que permite el uso de los hornos microondas en nuestras cocinas, pero también hay otros materiales como el Carburo de Silicio, distintos carbones, grafito, grafeno o ferrita que son altamente susceptores.

Mientras que el calor por convección deposita el calor en una fina capa de la superficie, las microondas penetran varios centímetros, siendo las frecuencias más bajas  (longitudes de ondas más largas) las más penetrantes. Si calentamos algo grueso, más allá de los centímetros penetrados por las microondas se transferirá el calor por el contacto de las partículas interiores con las partículas en vibración por las microondas (conducción).

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