La cerámica y los vidriados se obtienen aplicando energía en forma de calor, introduciendo las piezas en hornos. Los hornos deben ser capaces de llegar a las temperaturas de maduración de pastas y vidriados y para ello emplean reacciones químicas como la combustión o fenómenos físicos como la resistencia al paso de una corriente eléctrica, o la absorción de micro-ondas de determinados materiales.
El horno es una estructura destinada a retener el calor generado, por lo que 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 o vibración de las partículas que constituyen la materia que se produce por la absorción del calor. A una temperatura concreta se produce un cambio de estado porque la vibración es tan grande que rompe los enlaces y la materia sólida pasa a estado líquido, abandonando los átomos la posición de equilibrio que mantenían en la estructura cristalina. Si continúa el aumento de temperatura se producirá un nuevo cambio de estado pasando de líquido a gas, aunque hay ciertos materiales que pasan de sólido a gas directamente (sublimación).
El calor necesario para provocar el aumento de temperatura puede obtenerse de muchas formas, pero en los hornos cerámicos actuales se emplean la combustión, la radiación de resistencias eléctricas y la absorción de microondas por determinados materiales.
El calor se transmite mediante tres mecanismos denominados conducción, convección y radiación.
En la conducción el calor se transmite por contacto entre partículas adyacentes de un sólido, de forma que la vibración provocada por la temperatura se transmite entre las partículas que están en contacto en la red cristalina del sólido extendiéndose cada vez más. La conducción del calor depende de la propiedad de los materiales denominada “conductividad térmica”. Un material con alta conductividad térmica, por ejemplo la plata con un valor de 1715, transfiere el movimiento de sus partículas a las adyacentes. Los materiales con baja conductividad, por ejemplo un ladrillo refractario con un valor de conductividad 3, se oponen al paso del calor a través de ellos y son aislantes térmicos. El aire es muy aislante y por tanto los materiales muy porosos (como los refractarios) también lo son. Otros materiales con baja conductividad son la zirconia ZrO2, alúmina Al2O3 y sílice SiO2.
La transmisión del calor por convección se produce en los gases y en los líquidos. En este caso la vibración de una partícula en el gas o en el líquido se transmite a otra cuando se produce un choque entre ambas. Cuando las partículas calientes por convección, del gas o del líquido, chocan con un sólido transmiten la vibración a la superficie del sólido y después el calor se extiende hacia el interior del sólido por conducción.
La radiación térmica o calorífica consiste en la conversión de energía térmica a la emisión de ondas electromagnéticas. Por tanto, esta forma de transmisión del calor no se produce por contacto o choque entre partículas sino por la generación de un campo electromagnético y la emisión de fotones (que van desde infrarrojos hasta blancos azulados). La absorción de estos fotones por un material hace que suba su temperatura.
En los hornos cerámicos el calor se transmite mayoritariamente por convección y por radiación, predominando la radiación en los hornos eléctricos y la convección en los de combustión. Cuando el calor llega a la superficie de las piezas, la transmisión desde la superficie hacia el interior se realiza por conducción principalmente, y la conducción necesita tiempo para expandirse, por lo que una cocción cerámica no solo consiste en alcanzar una temperatura determinada sino hacerlo a una velocidad que permita que el calor se extienda por todo el volumen de las piezas. Esto puede verse claramente con los conos pirométricos. Ocurre lo mismo en las paredes del horno, de forma que siempre acaba escapando calor del horno a pesar de tratarse de materiales muy refractarios.
El calor es una forma de la energía y se puede medir en julios, aunque también se mide en calorías. 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.
En los hornos cerámicos de leña, gasoil, o gas, la energía calorífica se obtiene por combustión.
La combustión es una reacción química exotérmica que se desarrolla en fase gaseosa o heterogénea (líquido-gas, sólido-gas) y se manifiesta en forma de llamas y de radiación visible.
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 + calor (33.875 kJ/kg de C)
H2 + ½ O2 🡪 H2O + calor (143.330 kJ/kg de O2)
S + O2 🡪 SO2 + calor (8.958 kJ/kg de S)
Para que tenga lugar la combustión se tiene que alcanzar la temperatura de ignición. Una vez iniciada la combustión, si hay suficiente combustible y comburente, la llama se estabiliza aunque se retire la energía que dio lugar a la ignición. La llama es la propia reacción de combustión que se propaga por el espacio, es decir, las reacciones de combustión ocurren en el medio gaseoso que es la llama.
Por ejemplo, si el combustible es gas propano de fórmula C3H8, en presencia de suficiente oxígeno, se obtiene vapor de agua (gas) y dióxido de carbono (gas) junto a energía calorífica.
C3H8 + 5O2 = 4H2O + 3CO2
Cuando la combustión es limpia porque hay suficiente comburente, la llama es azul, y es muy eficiente porque se quema todo el combustible presente.
En los hornos cerámicos eléctricos, la energía calorífica se obtiene por el efecto Joule.
Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual, si por un conductor circula una 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, provocando un aumento de temperatura. La parte de energía que se transforma en calor depende de la intensidad de la corriente eléctrica al cuadrado, del tiempo y de una propiedad de los materiales denominada “Resistencia eléctrica”:
E = I2 x R x t
El calor generado por la resistencia eléctrica se manifiesta en forma de radiación visible.
También se puede obtener calor mediante el efecto Joule por inducción, pero se necesita que el objeto que queremos calentar sea también conductor, por lo que no se emplea en los procesos cerámicos. Consiste en inducir una corriente eléctrica en un material que tiene resistencia eléctrica y por tanto se calienta. Para ello se aplica una corriente eléctrica a una bobina que genera un campo magnético en su interior. La pieza a calentar se sitúa en el interior de dicha bobina y se generan corrientes eléctricas (corrientes de Foucault) que generan calor debido a la resistencia del material.
También en cerámica se emplean, principalmente en joyería o para pruebas, pequeños hornos que se calientan cuando reciben energía en forma de microondas. Se denominan microondas las ondas electromagnéticas, en el rango de radiofrecuencia, cuyas frecuencias se sitúan entre 300 MHz y 30 GHz y se utilizan en telecomunicaciones, radares, etc… pero su aplicación más popular son los hornos microondas que utilizan la frecuencia de 2,45 GHz. En estos hornos, las microondas hacen vibrar las moléculas de agua de los alimentos generando calor, que suele denominarse calor por calentamiento dieléctrico, o también calefacción de alta frecuencia o diatermia.
La vibración de las moléculas de agua ocurre por su naturaleza de dipolo que provoca su oscilación para alinearse con el campo magnético alterno de las microondas Al rotar, se producen rozamientos y choques, al ritmo de la frecuencia, que son los que elevan la temperatura.
Se denominan materiales dieléctricos susceptores a los materiales, como el agua, que absorben ondas microondas y las transforman en calor. Además del agua, otros susceptores son el Carburo de Silicio, distintos carbones, grafito, grafeno o ferrita.
En cerámica, los hornos microondas convencionales se utilizan como generadores de estas ondas y dentro de ellos colocamos un pequeño horno cerámico de material refractario, forrado en su interior con una capa de materiales susceptores que se ponen al rojo vivo cuando reciben las microondas.
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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