TERMODINÁMICA

La soldadura por electrofusión es una forma de soldadura por implantes resistiva utilizada para unir tuberías. Un accesorio con bobinas metálicas implantadas se coloca alrededor de dos extremos de los tubos que se unirán y la corriente pasa a través de las bobinas. El calentamiento resistivo de las bobinas funde pequeñas cantidades de la tubería y la conexión, y una vez solidificada, se forma una junta. Se usa más comúnmente para unir tuberías de polietileno (PE) y polipropileno (PP). La soldadura por electrofusión es la técnica de soldadura más común para unir tuberías de PE. ^[1] Debido a la consistencia del proceso de soldadura por electrofusión en la creación de uniones fuertes, se emplea comúnmente para la construcción y reparación de tuberías que transportan gas. ^[2] El desarrollo de la resistencia de la junta se ve afectado por varios parámetros del proceso, y es necesario un procedimiento de unión consistente para la creación de juntas fuertes.

Ventajas y desventajas [ editar ]

Ventajas de la soldadura por electrofusión:

• Proceso simple capaz de producir uniones consistentes.
• El proceso está totalmente contenido, lo que reduce el riesgo de contaminación de las articulaciones.
• El proceso permite su reparación sin la necesidad de retirar tuberías.

Desventajas de la soldadura por electrofusión:

• Se requiere un manguito especial, por lo que es más costoso que otros métodos de unión de tuberías, como la unión por placa caliente.
• Las bobinas implantadas dificultan el reciclaje de piezas

Equipo [ editar ]

Racor de electrofusión

La soldadura por electrofusión emplea accesorios que se colocan alrededor de la unión a soldar. Las bobinas de metal se implantan en los accesorios, y la corriente eléctrica se ejecuta a través de las bobinas para generar calor y fundir parte de las tuberías, formando una junta en la solidificación. Hay dos posibles accesorios utilizados en la soldadura por electrofusión: acopladores y tees de roscado (sillines). Los accesorios de acoplamiento contienen dos regiones separadas de bobinas, creando dos zonas de fusión distintas durante la soldadura. El diámetro interior del acoplador suele ser un poco más grande que el diámetro exterior de los tubos. Esto es para aumentar la facilidad de ensamblaje en el campo y permite inconsistencias menores en el diámetro de la tubería. La inserción adecuada de las tuberías en el acoplador es fundamental para la creación de una unión fuerte. La colocación incorrecta del acoplador puede hacer que las bobinas se muevan y conduzcan a la extrusión del material polímero fundido de la junta, lo que reduce la resistencia de la junta. Las tees o sillines de tapping son menos comunes pero operan bajo los mismos principios que un acoplador. Requieren sujeción para asegurar un ajuste adecuado con las tuberías.

Instalación de montaje [ editar ]

La instalación de los acopladores y los accesorios en T giratorios requieren procedimientos ligeramente diferentes. Los pasos de instalación comunes para cada uno se dan a continuación.

Acopladores [ editar ]

1. Lave los extremos de los tubos para crear superficies limpias para unirlos.
2. Puntas de tubo cuadradas para facilitar un ajuste óptimo.
3. Limpie el área donde se colocará el acoplador con alcohol isopropílico
4. Marque los tubos ligeramente más allá de la mitad de la longitud del acoplador, para indicar dónde se realizará el raspado en pasos posteriores
5. Marque el área a raspar
6. Raspe el tubo en áreas marcadas para eliminar la capa superficial, permitiendo que el material limpio del tubo entre en contacto con el acoplador
7. Examine el área raspada a fondo, asegurándose de que el material fresco de la tubería esté expuesto en toda el área
8. Inserte los extremos de los tubos en el acoplamiento a la profundidad adecuada
9. Asegure el acoplador usando la abrazadera
10. Conecte la conexión a la caja de control usando cables eléctricos
11. Aplicar ciclo de fusion
12. Permita que la junta permanezca intacta durante todo el tiempo de enfriamiento prescrito
13. Tubo de prueba de presión
14. Tubo de llenado posterior con contenido apropiado.
15. Comenzar el servicio

Pulsando tee [ editar ]

1. Lave el área del tubo que se unirá para crear superficies limpias para unir
2. Limpie el área donde se colocará la te de extracción con alcohol isopropílico
3. Marque los tubos un poco más allá de los bordes de la ubicación de la derivación.
4. Raspe el tubo en las áreas marcadas para eliminar la capa superficial, permitiendo que el material limpio del tubo entre en contacto con la te de extracción.
5. Examine el área raspada a fondo, asegurándose de que el material fresco de la tubería esté expuesto en toda el área
6. Coloque la te de tapping en la junta
7. Asegurar la te de golpeteo con la abrazadera
8. Conecte la caja de control de conexión usando cables eléctricos
9. Aplicar ciclo de fusion
10. Permita que la junta permanezca intacta durante todo el tiempo de enfriamiento prescrito
11. Tubo de prueba de presión
12. Tubo de llenado posterior con contenido apropiado.
13. Comenzar el servicio

^[3]

Requisitos de energía [ editar ]

La soldadura por electrofusión requiere que la corriente eléctrica pase a través de las bobinas implantadas en los accesorios. Dado que la entrada de energía eléctrica es un excelente indicador de la resistencia de la junta que se desarrolla durante la fusión, es necesario contar con una entrada de energía eléctrica constante. La entrada de energía durante el proceso de unión generalmente se mide controlando el tiempo que tarda la corriente en pasar por la conexión. Sin embargo, la entrada de energía también puede controlarse controlando la temperatura general, la temperatura del polímero fundido o la presión del polímero fundido. ^[4]

Una caja de control toma energía eléctrica de un generador y la convierte en un voltaje y una corriente adecuados para la unión por electrofusión. Esto proporciona una entrada de energía constante para cada aplicación. El voltaje de entrada más común para los accesorios de soldadura por electrofusión es de 39.5V, ya que proporciona los mejores resultados sin poner en riesgo la seguridad del operador. La corriente se ingresa como una forma de onda de corriente alterna (CA).

Proceso de soldadura [ editar ]

Etapas durante la soldadura [ editar ]

La soldadura por electrofusión se caracteriza por 4 etapas distintas que ocurren durante el proceso de soldadura:

1. Periodo de incubación
2. Formación conjunta y consolidación.
3. Región de la meseta
4. Periodo de enfriamiento

Durante el período de incubación, el calor se introduce en la articulación a medida que la corriente pasa a través de la bobina. Aunque no hay resistencia de la junta en este punto, el polímero se expande y el espacio de la junta se llena. Durante la formación y consolidación de las articulaciones, comienza la fusión. La presión de fusión ha comenzado a acumularse, y la mayor parte de la resistencia de la junta se desarrolla durante esta etapa. El aumento de resistencia se debe principalmente a la restricción del aumento de material fundido por las zonas frías en el accesorio circundante. La región meseta señala la estabilización de la fuerza de la articulación. A pesar de esto, el calor de la articulación sigue aumentando con el tiempo durante esta etapa. El período de enfriamiento ocurre después de que la corriente ya no se aplica a las bobinas. El material polimérico fundido se solidifica y forma la junta.

Corriente durante la soldadura [ editar ]

La mayoría de las fuentes de alimentación de soldadura por electrofusión son máquinas de voltaje constante. Las máquinas de corriente constante proporcionarían una entrada de energía más consistente debido a las pequeñas fluctuaciones en la corriente aplicada a las bobinas durante la soldadura. Sin embargo, esta consistencia adicional generalmente no vale la pena el mayor costo de estas máquinas. Cuando se usa una máquina de voltaje constante, el valor de la corriente aplicada disminuye lentamente a lo largo del proceso de soldadura. Este efecto se debe a la creciente resistencia de las bobinas a medida que se aplica la energía. A medida que se genera calor en las bobinas, su temperatura aumenta, lo que lleva a una mayor resistencia eléctrica en las bobinas. Este aumento de la resistencia eléctrica hace que se genere una corriente más pequeña desde el mismo nivel de voltaje a medida que avanza el proceso. La extensión de la disminución de corriente está determinada por el material utilizado para la bobina. La entrada de energía por unidad de área se puede calcular y usar para monitorear el proceso. Valores típicos para este rango de 2-13 J / mm.² , con un valor de 3.9 J / mm ²que se ha encontrado para producir las uniones más fuertes. ^[5] [6]

Temperatura en diferentes áreas de una junta durante el proceso de soldadura por electrofusión ^[3]

Temperatura durante la soldadura [ editar ]

Existen grandes gradientes de temperatura en la junta de electrofusión durante el ciclo de fusión. La baja conductividad térmica de los polímeros es la causa principal de estos grandes gradientes. Los esfuerzos recientes para modelar la historia térmica en varias ubicaciones utilizando el modelado de elementos finitos han sido exitosos. ^{[7] [8] [9] [10]}

Presión durante la soldadura [ editar ]

A medida que aumenta la temperatura en la junta, el polímero comienza a fundirse y se forma una zona de fusión. El polímero fundido en la zona de fusión ejerce una fuerza hacia el exterior sobre el material polimérico sólido circundante, denominado "zonas frías". Estas zonas frías hacen que se desarrolle una presión en la zona de fusión fundida. La presión en la zona de fusión tarda algún tiempo en alcanzar su valor máximo, por lo general, no alcanza el pico hasta aproximadamente una cuarta parte del proceso de unión. Después de que se apaga la corriente y comienza el enfriamiento, la presión disminuye lentamente hasta que la junta tiene una temperatura uniforme.

Propiedades de las articulaciones [ editar ]

La resistencia de una junta de electrofusión se mide mediante pruebas de tracción y pelado en cupones tomados de la zona de fusión de la junta. Se han desarrollado dos métodos para evaluar el efecto del tiempo de fusión en la resistencia de la articulación:

1. Simulación de una junta de electrofusión únicamente para fines de prueba.
2. Eliminación de los cupones de prueba de las uniones soldadas por electrofusión estándar

La resistencia de la junta se desarrolla a lo largo del proceso de soldadura, y este desarrollo se ve afectado por el tiempo de fusión, la separación de la junta y el material de la tubería. Estos se detallan a continuación.

Efecto del tiempo de fusión en resistencia de la unión [ editar ]

A medida que comienza el tiempo de fusión, hay un período de incubación en el que no se desarrolla fuerza. Una vez que ha pasado el tiempo suficiente para que el material fundido comience a solidificarse, la resistencia de la junta comienza a desarrollarse antes de estabilizarse en la resistencia máxima. Si se aplica potencia después de que se alcanza la fuerza total de la articulación, la fuerza comenzará a disminuir lentamente. ^[5] [11]

Efecto de la ranura de la articulación en resistencia de la unión [ editar ]

El espacio de unión es la distancia entre el accesorio de electrofusión y el material de la tubería. Cuando no hay un espacio en la junta, la resistencia de la junta resultante es alta pero no máxima. A medida que aumenta la brecha articular, la resistencia de la articulación aumenta hasta un punto, luego comienza a disminuir bastante bruscamente. En espacios más grandes, no se puede acumular suficiente presión durante el tiempo de fusión, y la resistencia de la junta es baja. ^[12] El efecto de la separación de la junta en la resistencia es la razón por la cual el raspado de las tuberías antes de la soldadura es un paso crítico. Un raspado desigual o inconsistente puede dar lugar a áreas donde el espacio de la junta es grande, lo que lleva a una baja resistencia de la misma.

Efecto del material de la tubería en resistencia de la unión [ editar ]

Los materiales de tubería con pesos moleculares más altos (MW), o densidades, tendrán velocidades de flujo de material más lentas cuando estén en estado fundido durante la fusión. A pesar de las diferencias en los caudales, la resistencia final de la junta es generalmente consistente en un rango bastante amplio de pesos moleculares de tubería.

La entropía electrónica es la entropía de un sistema atribuible a la ocupación probabilística de los estados por parte de los electrones. Esta entropía puede tomar varias formas. La primera forma puede denominarse una densidad de entropía basada en estados . La distribución Fermi-Dirac implica que cada estado propio de un sistema, i , está ocupado con cierta probabilidad, p _i. Como la entropía está dada por una suma sobre las probabilidades de ocupación de esos estados, existe una entropía asociada con la ocupación de los diversos estados electrónicos. En la mayoría de los sistemas moleculares, el espacio de energía entre el orbital molecular más ocupado y el más bajo no ocupado es generalmente grande, y por lo tanto las probabilidades asociadas con la ocupación de los estados excitados son pequeñas. Por lo tanto, la entropía electrónica en sistemas moleculares puede ser descuidada con seguridad. La entropía electrónica es, por lo tanto, más relevante para la termodinámica de las fases condensadas, donde la densidad de estados en el nivel de Fermi puede ser bastante grande, y la entropía electrónica puede contribuir sustancialmente al comportamiento termodinámico. ^[1] [2]Una segunda forma de entropía electrónica se puede atribuir a la entropía de configuración asociada con los electrones y los agujeros localizados. ^[3] Esta entropía es similar en forma a la entropía de configuración asociada con la mezcla de átomos en una red.

La entropía electrónica puede modificar sustancialmente el comportamiento de la fase, como en los electrodos de baterías de ión litio, ^[3] superconductores de alta temperatura , ^[4] [5] y algunas perovskitas . ^[6] También es la fuerza motriz para el acoplamiento del transporte de calor y carga en materiales termoeléctricos , a través de las relaciones recíprocas de Onsager . 

De la densidad de estados [ editar ]

Formulación general [ editar ]

La entropía debido a un conjunto de estados que pueden estar ocupados con probabilidad $${\ displaystyle p_ {i}} o vacio con probabilidad $${\ displaystyle 1-p_ {i}} Se puede escribir como:

$${\ displaystyle S = -k _ {\ rm {B}} \ sum _ {i} n_ {i} [p_ {i} \ ln p_ {i} + (1-p_ {i}) \ ln (1-p_ {yo})]},

donde k _B es la constante de Boltzmann . 

Para un conjunto de estados continuamente distribuidos en función de la energía, como los estados propios en una estructura de banda electrónica , la suma anterior se puede escribir como una integral sobre los valores de energía posibles, en lugar de una suma. Al pasar de sumar sobre estados individuales a integrar sobre niveles de energía, la entropía se puede escribir como:

$${\ displaystyle S = -k _ {\ rm {B}} \ int n (E) \ left [p (E) \ ln p (E) + (1-p (E)) \ ln \ left (1-p) (E) \ derecha) \ derecha] dE}

donde n ( E ) es la densidad de estados del sólido. La probabilidad de ocupación de cada estado propio está dada por la función de Fermi, f :

$${\ displaystyle p (E) = f = {\ frac {1} {e ^ {(E-E _ {\ rm {F}}) / k _ {\ rm {B}} T} +1}}}

donde E _F es la energía de Fermi y T es la temperatura absoluta. Entonces se puede volver a escribir la entropía como:

$${\ displaystyle S = -k _ {\ rm {B}} \ int n (E) \ left [f \ ln f + (1-f) \ ln \ left (1-f \ right) \ right] dE}

Esta es la formulación general de la entropía electrónica basada en la densidad de estados.

Aproximación útil [ editar ]

Es útil reconocer que los únicos estados dentro de ~ ± k _B T del nivel de Fermi contribuyen significativamente a la entropía. Otros estados están totalmente ocupados, f = 1 , o completamente desocupados, f = 0 . En cualquier caso, estos estados no contribuyen a la entropía. Si se supone que la densidad de estados es constante dentro de ± k _B T del nivel de Fermi, se puede deducir que la entropía electrónica es igual a: ^[2]

$${\ displaystyle S = {\ frac {\ pi} {3}} k _ {\ rm {B}} ^ {2} Tn (E _ {\ rm {F}})}

donde n ( E _F ) es la densidad de estados en el nivel de Fermi. Se pueden hacer varias otras aproximaciones, pero todas indican que la entropía electrónica debe, en primer orden, ser proporcional a la temperatura y la densidad de estados en el nivel de Fermi. Como la densidad de estados en el nivel de Fermi varía ampliamente entre sistemas, esta aproximación es una heurística razonable para inferir cuándo puede ser necesario incluir la entropía electrónica en la descripción termodinámica de un sistema; solo los sistemas con grandes densidades de estados en el nivel de Fermi deben mostrar una entropía electrónica no despreciable (cuando grande se puede definir aproximadamente como n ( E _F ) ≥ ( k 2 
BT ) ⁻¹ ).

Aplicación a diferentes clases de materiales [ editar ]

Los aisladores tienen una densidad cero de estados en el nivel de Fermi debido a sus brechas de banda . Por lo tanto, la densidad de la entropía electrónica basada en estados es esencialmente cero en estos sistemas.

Los metales tienen una densidad de estados no nula en el nivel de Fermi. Los metales con estructuras de banda similar a electrones libres (por ejemplo, metales alcalinos, metales alcalinotérreos, Cu y Al) generalmente muestran una densidad de estados relativamente baja en el nivel de Fermi y, por lo tanto, muestran entropías electrónicas bastante bajas. Los metales de transición, en los que las bandas d planas se encuentran cerca del nivel de Fermi, generalmente exhiben entropías electrónicas mucho más grandes que los metales similares a electrones libres.

Los óxidos tienen estructuras de banda particularmente planas y, por lo tanto, pueden exhibir grandes n ( E _F ) , si el nivel de Fermi se cruza con estas bandas. Como la mayoría de los óxidos son aislantes, generalmente este no es el caso. Sin embargo, cuando los óxidos son metálicos (es decir, el nivel de Fermi se encuentra dentro de un conjunto de bandas sin relleno), los óxidos exhiben algunas de las entropías electrónicas más grandes de cualquier material.

Los materiales termoeléctricos están diseñados específicamente para tener grandes entropías electrónicas. El efecto termoeléctrico se basa en los portadores de carga que presentan grandes entropías, ya que la fuerza impulsora para establecer un gradiente en el potencial eléctrico es impulsada por la entropía asociada con los portadores de carga. En la literatura termoeléctrica, el término ingeniería de estructura de banda se refiere a la manipulación de la estructura del material y la química para lograr una alta densidad de estados cerca del nivel de Fermi. Más específicamente, los materiales termoeléctricos se dopan intencionalmente para mostrar solo bandas parcialmente llenas en el nivel de Fermi, lo que resulta en altas entropías electrónicas. ^[8]En lugar de un relleno de banda de ingeniería, también se puede diseñar la forma de la estructura de la banda a través de la introducción de nanoestructuras o pozos cuánticos en los materiales. ^{[9] [10] [11] [12]}

Entropía configuracional electrónica [ editar ]

La entropía electrónica de configuración generalmente se observa en los óxidos de metales de transición de valencia mixta, ya que las cargas en estos sistemas están localizadas (el sistema es iónico) y pueden cambiar (debido a la valencia mixta). Para una primera aproximación (es decir, suponiendo que los cargos se distribuyen al azar), la entropía electrónica configuracional molar está dada por: ^[3]

$${\ displaystyle S \ approx n _ {\ text {sites}} \ left [x \ ln x + (1-x) \ ln (1-x) \ right]}

donde n _sitios es la fracción de sitios en los que podría residir un electrón / orificio localizado (típicamente un sitio de metal de transición), yx es la concentración de electrones / orificios localizados. Por supuesto, las cargas localizadas no se distribuyen al azar, ya que las cargas interactuarán electrostáticamente entre sí, por lo que la fórmula anterior solo debe considerarse como una aproximación a la entropía atómica configuracional. Se han hecho aproximaciones más sofisticadas en la literatura.