Dissertations / Theses on the topic 'Conductividad térmica de ferrofluidos'

La industria peruana ha prestado poca atención, a pesar de la relación directa entre el ahorro energético y ahorro económico. El diseño de este dispositivo no solamente tiene como fin la validación de valores para diferentes materiales usados en edificación, sino también puede ayudar a la investigación nuevos materiales, por ejemplo, compuestos de las cuales se quiera saber su comportamiento térmico. Siendo el propósito de la presente tesis, en el área de energía, diseño y selección de los componentes de un dispositivo de acuerdo a la norma ASTM C1043 que permita ensayar materiales usados en edificación para la obtención de las propiedades térmicas, siendo la más conocida la conductividad térmica. Se considera en el diseño la colocación de dos muestras de hasta 30 kg. El diseño se realizó según la metodología de diseño DIN VDI 2221, la norma base usada para el desarrollo de la presente tesis ASTM C1043 y la norma general de la cual se desprende ésta última que es la norma ASTM C177. Así también, para los casos donde no se tenía información alguna en las nomas antes mencionadas, se hizo uso de la norma UNE EN 12664. Por otra parte, se consideró los conocimientos en diseño mecánico como elementos de máquinas, transferencia de calor y resistencia de materiales; además, de conocimiento de manufactura disponible en el mercado peruano, utilización de programas CAD y simulación por el método de elementos finitos. Al final, se obtuvo el diseño del dispositivo que base su principio en el método de la placa caliente con guarda para dos muestras cuyo rango de funcionamiento va desde la temperatura de ambiente (23°C) hasta 65°C aproximadamente según norma, y con dimensiones generales de la máquina de 400x400x552 milímetros de largo, ancho y alto respectivamente. El presupuesto final del equipo es de S/. 22280 Nuevos Soles.
Tesis

Busca la mejora del aislamiento térmico de una mezcla de concreto mediante el empleo de residuos de placas de poliuretano, al que se puede definir como un conjunto de materiales y técnicas de instalación que se aplican en los elementos de construcción para limitar un volumen de control y reducir su transferencia de calor. En tal sentido, este trabajo desarrolla cálculos de transmisión de calor de elementos de construcción.
Tesis

Publicación a texto completo no autorizada por el autor
Supone la mejora del aislamiento térmico de una mezcla de concreto mediante el empleo de residuos de placas de poliuretano, al que podemos definir como un conjunto de materiales y técnicas de instalación que se aplican en los elementos de construcción para limitar un volumen de control y reducir su transferencia de calor. En tal sentido, se desarrollan cálculos de transmisión de calor de elementos de construcción.
Trabajo de suficiencia profesional

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m.
Tesis

En esta tesis se ha llevado a cabo un estudio del proceso de dispersión de nanopartículas de distinta naturaleza en agua para su posterior aplicación como fluido térmico. Los materiales nanopartículados utilizados en el estudio han sido óxidos ( sílice, alúmina y óxido de cobre II) y materiales en base carbono (nanotubos de pared única y múltiple y nanopartículas de grafeno). dos en el estudio han sido óxidos ( sílice, alúmina y óxido de cobre II) y materiales en base carbono ( nanotubos de pared única y múltiple y nanopartículas de grafeno). Tras la caracterización inicial de los materiales adquiridos se han estudiado diferentes mecanismos de dispersión de las nanopartículas, analizándose el efecto de cada uno de ellos en la obtenención de nanofluidos estables aracterizando su estabilidad con distintas técnicas instrumentales. Para evaluar la idoneidad de los nanofluidos preparados como fluidos térmicos se ha medido la conductividad térmica y viscosidad de todos ellos a distintas temperaturas de ensayo, modelizando además su comportamiento y el coste final de los distintos nanofluidos preparados.
In this thesis, a study of the process of dispersion of nanoparticles of different nature in water for its subsequent application as a thermal fluid has been carried out. The nanoparticle materials used in the study have been oxides (silica, alumina and copper II oxide) and carbon-based materials (single and multiple wall nanotubes and graphene nanoparticles). After the initial characterization of the acquired materials, different dispersion mechanisms of the nanoparticles have been studied, analyzing the effect of each one of them in obtaining stable nanofluids, characterizing their stability with different instrumental techniques. In order to evaluate the suitability of the nanofluids prepared as thermal fluids, their thermal conductivity and viscosity have been measured at different test temperatures, also modelling their behaviour and the final cost of the different prepared nanofluids.

Estudio del proceso de infiltración de grafito con aleaciones de aluminio. Fabricación de materiales compuestos de grafito/aleaciones de aluminio. Determinación de sus propiedades térmicas y mecánicas.

Abstract In many countries around the world, and even more so in developing countries, the problem of the use of end-of-life tires (NFU) is very much present, mainly because they lack selective collection and an adequate management system. The retreading method is the alternative process in NFU management, which consists of replacing the worn tread of a used tire, performing the reconstruction of its original structure. The scraping of the surface is the stage where all the waste that is obtained in the form of tire fibers (FN) and particles is generated. This type of waste can be valued as raw material to obtain pre-fabricated non-conventional building elements and low economic and environmental costs. In this work, tire residues have been used in the preparation of cement / pozzolan matrices and alkaline activation matrices. For this purpose different residues have been used: In the case of cementitious matrices, a residue of the petroleum industry has been used as pozzolan; The fluid catalytic cracking (FCC) as a 15% substitution of cement for this residue. In the case of geopolymeric mortars, two types of waste have been used as the precursor agent: FCC, and blast furnace slag (SC). On the other hand, and for the preparation of the activator solution, a mixture of sodium hydroxide and rice husk ash (CCA) has been used as the source of silica. In parallel, and for mortars with slag, sodium carbonate activator has been used as activator. In all previous systems, part or all of the aggregate has been replaced by FN, as an ecological option for the reuse of this material. The objective of this study is to evaluate the NFU from its application as FN in ultra-light binder mixtures based on portland cement and alkaline activated cement, so that many of its physical, mechanical, thermal and thermographic properties have been analyzed, To develop applications in civil engineering and building as is the case of microconcrete tiles. The use of FN decreases the density of the hardened mixtures and reaches the minimum values of compressive strength, collected by the standard for masonry pieces. On the other hand, the analysis of thermography and thermal conductivity show that the increase of FN in the dosage of mortars decreases the values of heat transmitted in the studied material, reaching lower values than in conventional concretes and similar to that of light concrete with clay expanded.
Resumen En muchos países del mundo y más aún en países en desarrollo está muy presente el problema generado por la presencia de los neumáticos fuera de uso (NFU), fundamentalmente porque carecen de una recogida selectiva y de un adecuado sistema de gestión. El método del recauchutado es el proceso alternativo en la gestión de NFU el cual consiste en sustituir la banda de rodadura gastada de un neumático usado, realizando la reconstrucción de su estructura original. El raspado de la superficie, es la etapa donde se genera la totalidad de los residuos que se obtienen en forma de fibras de neumático (FN) y partículas. Este tipo de residuos puede ser valorizado como materia prima para obtener elementos de construcción prefabricados no convencionales y de bajo coste económico y medio ambiental. En este trabajo se han usado residuos de neumáticos en la preparación de matrices de cemento/puzolana y matrices de activación alcalina. Para ello se han utilizado distintos residuos: En el caso de matrices cementicias se han utilizado como puzolana un residuo de la industria del petróleo; el catalizador gastado de craqueo catalítico (FCC) como una sustitución del 15% de cemento por este residuo. En el caso de los morteros geopoliméricos se ha usado como agente precursor dos tipos de residuos: el FCC, y la escoria de alto horno (SC). Por otra parte, y para la preparación de la disolución activadora se ha usado una mezcla de hidróxido sódico con ceniza de cáscara de arroz (CCA), como fuente de sílice. Paralelamente, y para los morteros con escoria, se ha usado como activador carbonato sódico. En todos los sistemas anteriores, se han sustituido parte o todo el árido por FN, como una opción ecológica para la reutilización de este material. El objetivo de este estudio es la valorización del NFU a partir de su aplicación como FN en mezclas conglomerantes ultraligeras con base de cemento portland y cemento activado alcalinamente, por lo que se han analizado muchas de sus propiedades, físicas, mecánicas, térmicas y termográfica, para desarrollar aplicaciones en la ingeniería civil y la edificación como es el caso de las tejas de microconcreto. El uso de FN disminuye la densidad de las mezclas endurecidas y alcanza los valores mínimos de resistencia a compresión, recogidos por la norma para piezas de mampostería. Por otra parte, el análisis de termografía y de conductividad térmica manifiestan que el incremento de FN en la dosificación de los morteros disminuye los valores de calor transmitido en el material estudiado, alcanzando valores menores que en hormigones convencionales y similares al del hormigón ligero con arcilla expandida.
Resum A molts països del món, i especialment en països en desenvolupament, està molt present el problema produït per la presència dels pneumàtics fora d'ús (NFU), principalment perquè els manca una recollida selectiva i amb un adequat sistema de gestió. El mètode del recautxutat és el procés alternatiu en la gestió de NFU, el qual consisteix en substituir la banda de rodament gastada d'un pneumàtic utilitzat, realitzant la reconstrucció de la seua estructura original. El raspat de la superfície és l'etapa on es genera la totalitat dels residus que s'obtenen en forma de fibres de pneumàtic (FN) i partícules. Aquest tipus de residus pot ser valoritzat com a matèria prima per a obtenir elements prefabricats no convencionals i de baix cost econòmic i mediambiental. En aquest treball s'han utilitzat residus de pneumàtics en la preparació de matrius de ciment/putzolana i matrius d'activació alcalina. Amb eixe objectiu, s'han utilitzat diversos residus: En el cas de matrius cementícies s'ha utilitzat com a putzolana un residu de la industria del petroli; el catalitzador gastat de craqueig catalític (FCC) com una substitució del 15% de ciment per aquest residu. En el cas dels morters geopolimèrics, s'han utilitzat com agent precursor dos tipus de residus: el FCC i l'escòria d'alts forns (SC). D'altra banda, per a la preparació de la dissolució activadora s'ha utilitzat una mescla d'hidròxid sòdic amb cendra de la corfa d'arrós (CCA) com a font de sílice. En tots els sistemes mencionats, s'ha substituït parcial o totalment l'àrid per FN, com una opció ecològica per a la reutilització d'aquest material. L'objectiu d'aquest estudi és la valorització del NFU a partir de la seua aplicació com FN en mescles conglomerants ultralleugeres amb base de ciment pòrtland i ciment activat alcalinament. Per aquest motiu, s'han analitzat moltes de les seues propietats, físiques, mecàniques, tèrmiques i termogràfiques, per a desenvolupar aplicacions en l'enginyeria civil i l'edificació, com ara les teules de microformigó. L'ús de FN disminueix la densitat de les mescles endurides i aconsegueix els valors mínims de resistència a compressió, recollits per la norma per a peces de maçoneria. D'altra banda, l'anàlisi de termografia i de conductivitat tèrmica manifesten que l'augment de FN en la dosificació dels morters disminueix els valors de calor transmès en el material estudiat, obtenint valors menors comparat amb els formigons convencionals i similars al formigó lleuger amb argila expandida.
Gudiel Rodríguez, ER. (2017). Utilización de residuos de Neumáticos Fuera de Uso en conglomerantes con base cemento portland y de activación alcalina para uso en prefabricados de bajo coste económico y medioambiental [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91231
TESIS

En promedio en el Perú el 19% de la población presenta una gran probabilidad de verse afectada por enfermedades respiratorias teniendo porcentajes más altos en departamentos como Apurímac, Ayacucho y Puno. Esta probabilidad aumenta a causa de las heladas, este fenómeno natural hace que las temperaturas lleguen entre 0 a -20°C en promedio, los cuales representan un problema con el que cada año la población de la sierra del Perú tienen que lidiar. Esto se debe a que muchos no cuentan con los medios adecuados para enfrentar estos problemas ya que no tienen una vivienda con las condiciones básicas para poder vivir y asimismo, tampoco cuentan con los recursos económicos para mejorarla. Por ello, luego de realizar un diagnóstico en una comunidad alto andina expuesta a heladas haciendo encuestas a 240 familias (95% de nivel de confianza) sobre las acciones que toman frente a las heladas, actividades cotidianas y el impacto que ellos perciben frente a estos fenómenos, se desarrolló un aislante de fibras. Este aislante está conformado por fibras, cola sintética, aserrín y geomallas, este diseño (0.6 m x 0.5m x 0.04 m) fue validado probándose en un cuarto de una casa de la comunidad y obtuvo un costo de S/. 6.05 y logra reducir el flujo de calor en una vivienda en 26% con respecto a la situación actual siendo así la propuesta más viable. La investigación busca un desarrollo sostenible para la población afectada y que el modelo sea replicable a otras zonas del país.
On average, in Peru 19% of the population has a high probability of being affected by respiratory diseases having higher percentages departments as Apurimac, Ayacucho and Puno. This probability increases by frost, this natural phenomenon makes that the temperature increases between 0 and-20°C average, it represents a problem that every year the highland´s population of Peru have to deal. It happens because they are unprotected without adequate means to face them, people do not have a housing with minimum living conditions or with economic resources to improve. So then make diagnostic in community which are exposed to frost, surveying 240 families (confidence level of 95%.) about actions taken against frost, daily activities and the impact they perceive against these phenomena. Based on the information and after several tests an insulator is made based on fibers, synthetic, sawdust and geogrids tail, this design (0.6 m x 0.5 m x 0.04 m) was validated being tested in a room of a house in the community and obtained a cost of S /. 6.05 and reduce the flow of heat in a housing 26% compared to the current situation. Research seeks sustainable development for the affected population and that the model proposed is replicable to other areas of the country.
Tesis

Geólogo
Contribución de la conductividad térmica y la producción de calor radiogénico a la estructura termal de la corteza superior en la latitud de Santiago, Chile La conductividad térmica y la producción de calor radiogénico (RHP, por sus siglas del inglés Radiogenic Heat Production), son dos propiedades termales intrínsecas a un volumen de roca. Estas propiedades influyen directamente en la estructura termal de la corteza, pues determinan la conducción de calor y, a la vez, lo producen. La conductividad térmica y RHP dependen de la composición química de las rocas y de sus características petrográficas. Además, las variaciones de presión y temperatura relacionadas a la profundidad, afectan las propiedades termales, principalmente por el aumento de la temperatura. El estudio y modelamiento de la estructura termal de la litósfera representan un gran desafío, considerando la resolución numérica del problema y las condiciones iniciales y de borde. Se entregan aquí los valores obtenidos para la conductividad térmica y RHP, correspondientes a las propiedades termales más influyentes en la estructura termal de la corteza superior. Las rocas de la corteza superior en la latitud de Santiago están compuestas por unidades de la Cordillera de la Costa, que corresponden a rocas estratificadas de origen volcánico y sedimentario del Jurásico y Cretácico, además de rocas intrusivas paleozoicas, jurásicas y cretácicas, y por unidades de la Cordillera Principal de Los Andes, correspondientes a rocas estratificadas de origen volcánico del Oligoceno al Mioceno e intrusivos de la misma edad. El objetivo principal de este trabajo es investigar las propiedades termales de las unidades geológicas de la corteza superior en la latitud de Santiago, y su relación con la litología y edad. Esto se llevó a cabo realizando nuevas mediciones de las propiedades termales y ajustando los datos a distribuciones estadísticas, con un alto nivel de confiabilidad. La conductividad térmica se midió utilizando una sonda mediante el método de fuente de calor lineal, mientras que el cálculo de RHP se realizó a partir de las concentraciones medidas de U, Th y K, (RHPe, del inglés Radiogenic Heat Production elements). Para la conductividad térmica, el mayor valor promedio se registró en la Formación Lo Prado, cuya magnitud es 2,91[W/m*K], mientras que el mínimo se obtuvo en la Formación del Cordón Los Ratones, con 1,60 [W/m*K]. El máximo medido se registró en la Formación Lo Prado, con un valor de 4,92 [W/m*K]. Por otra parte, para la producción de calor radiogénico, el valor promedio más alto se obtuvo en la Formación Veta Negra, con 1,6 [𝜇W/m3], mientras que el mínimo se obtuvo para la Formación Lo Valle, con un valor de 0,59 [𝜇W/m3].El valor máximo medido se registró en la Formación Lo Prado, con una magnitud de 3,48 [𝜇W/m3]. Conductividad térmica y RHP dependen principalmente de la litología de las formaciones, siendo otros factores como edad, tamaño de grano, etc., menos o totalmente no influyentes. La estimación de flujo calórico para la zona de estudio está entre 45 a 60 [mW/m2], y el potencial de la cuenca de Santiago se asocia a la geotermia de muy baja entalpía.

La termoelectricitat és una tecnologia prometedora per recol·lectar energia a partir de diferències de temperatura ambientals. El desenvolupament de materials més eficients que converteixin calor en electricitat d’aquesta manera és necessari per obrir nous espais d’aplicació. S’ha demostrat que nanoestructurar un material és una bona manera d’augmentar la figura de mèrit termoelèctrica a materials cristal·lins per mitjà d’una reducció en la conductivitat tèrmica a causa d’un nombre major de col·lisions de fonons. Aquesta tesi té com a objectiu entendre millor processos que afecten el transport tèrmic a materials basats en silici. Al Capítol 1, una introducció general exposa la necessitat de reduir el consum de combustibles fòssils i en general de fer ús d’energies renovables. També, es raona el benefici de poder alterar les propietats tèrmiques d’un material per millorar l’administració de calor en certs sistemes. Al Capítol 2 es fa un resum de la teoria rere el transport tèrmic. Primer, es deriva l‘equació del calor a través del marc de la termodinàmica clàssica i s’introdueixen els fonons com a quasipartícules que transporten calor. L’aplicació de l’equació de transport de Boltzmann sobre electrons i fonons permet entendre l’efecte de diferents mecanismes de col·lisió a la figura de mèrit dels materials, la qual cosa permet raonar vàries estratègies per millorar-la. Al Capítol 3 es desenvolupen les eines necessàries per mesurar la conductivitat tèrmica de nanomaterials. Primer es preparen 2 criòstats i els seus sistemes de control i després s’explica el desenvolupament de 3 sensors. Les estructures suspeses permeten mesurar la conductivitat en membranes i nanofils. S’explica la seva fabricació i es fa un anàlisi exhaustiu de funcionament i d’incerteses. El mètode 3ω s’introdueix per mesurar la conductivitat a capes primes (en direcció perpendicular al pla) i a materials macroscòpics. Es demostra l’origen del voltatge 3ω i es relaciona amb aquestes conductivitats. Finalment es desenvolupa el sensor de 3ω-Völklein per caracteritzar la conductivitat en el pla de capes primes mentre s’estan creixent. Al Capítol 4 es mesura la conductivitat tèrmica de membranes de Si i es troba la reducció esperada pels efectes de mida, així com efectes de confinament a la membrana de 17.5 nm de gruix. A més s’optimitza la nanolitografia per FIB sobre les membranes amb un estudi sistemàtic, tot trobant una resolució de 200 nm amb una dosi de 50 μC/cm2. Al Capítol 5 s’estudia la conductivitat tèrmica de nanofils porosos de Si amb diferents porositats, longituds i mides. Es troba una tendència de la conductivitat amb el diàmetre dels fils que suggereix que el nucli dels fils és menys porós que la closca. La conductivitat del silici estructural resulta ser 50 vegades menor que la del Si macroscòpic, prometent una bona figura de mèrit. Al Capítol 6 es mesura la conductivitat tèrmica d’unes superxarxes de SiGe novedoses, les quals consten de períodes amb gradients de concentració. Mostren conductivitats molt reduïdes, per sota de la capa prima d’aliatge. La mesura de la superxarxa més gruixuda confirma l’absència d’efectes de coherència dels fonons. Al Capítol 7 es mesura la conductivitat tèrmica d’una membrana de nitrur de silici mentre es dipositen capes de TPD (vidre orgànic) i Indi. Els resultats mostren una reducció inicial en la conductància que no es pot explicar per la llei de Fourier, i que és deguda a l’augment de col·lisions difusives entre els fonons i les vores de la capa. Aquest efecte pot ser extrapolat a altres nanomaterials termoelèctrics, reduïnt la seva conductivitat. També es monitoritza la dinàmica de creixement d’ambdós materials a través de la seva senyal en conductància.
Thermoelectricity is a promising technology for scavenging energy from environmental temperature differences. The development of materials that transform heat into electricity in a more efficient way making use of this principle is necessary for opening new application niches. Nanostructuring a material has been demonstrated to increase the thermoelectric figure of merit of crystalline materials via a thermal conductivity reduction driven by enhanced phonon scattering. This thesis is committed to give a better insight into the processes that affect thermal transport in potential Si-based nanomaterials for thermoelectric generation. In Chapter 1, a general introduction exposes the need for reducing fossil fuel consumption and generally using renewable energies. Also, the benefit of tuning the thermal conductivity of materials for thermal management applications is discussed. Chapter 2 provides an overview of the theory behind thermal transport. First, the heat equation is derived from the classical irreversible thermodynamics framework. Then, phonons are introduced as heat carrying quasiparticles. The application of the Boltzmann Transport Equation to both phonons and electrons allows understanding the effect of different scattering mechanisms on the thermoelectric properties of materials. Finally, several strategies for enhancing the figure of merit of materials are reviewed. In Chapter 3, the necessary tools for measuring the thermal conductivity of nanomaterials are developed. Two cryostats are set up along with the temperature control systems that allow measuring at stable temperatures. Later, three sensors are developed for measuring the thermal conductivity of different materials. First, suspended structures intended for measuring the in-plane thermal conductivity of suspended membranes and nanowires are fabricated, and the errors and uncertainties produced in such measurements are characterized. Second, the 3ω method is introduced, allowing the measurement of the out-of-plane thermal conductivity in thin films. The emergence of the 3ω voltage is demonstrated, and the relation between this voltage and the thermal conductivity of the substrate and the thin-film is found. Finally, a sensor for the 3ω-Völklein method is developed, which allows characterizing the in-plane thermal conductivity of thin-films during the layer growth. In Chapter 4, the thermal conductivity of suspended Si membranes is measured, finding the expected reduction in thermal conductivity due to phonon surface scattering, as well as confinement effects in the 17.5 nm thick membrane. Moreover, the nanopatterning of these Si membranes with focused ion beam (FIB) is optimized through a systematic study of its amorphization finding an optimal spatial resolution of 200 nm when using 50 μC/cm2. In Chapter 5, the thermal conductivity of porous Si nanowires is studied for wires with different porosity, length and diameters, showing an unexpected dependence on its diameter that suggests that the wire core is generally less porous than the shell. The structural Si thermal conductivity is found to be one fiftieth of that of the bulk, promising a good thermoelectric figure of merit. In Chapter 6, the thermal conductivity of a novel SiGe graded superlattice is measured, showing a considerable reduction in its thermal conductivity, even below the thin-film alloy limit. The measurement of the thickest superlattice confirms the absence of coherent phonon effects. In Chapter 7, the thermal conductance of a suspended SiNx membrane is measured with a high precision while depositing on it organic (TPD) and metallic (Indium) materials. The results show an initial conductance reduction that cannot be explained with the Fourier law. This reduction is found to be related to an increased diffusive boundary scattering, which could be easily extrapolated to other thermoelectric nanomaterials, reducing their thermal conductivity. Also, the growth dynamics of both materials are characterized through their signal in the conductance.

The current work is focused on two areas related to thermoelectricity: (i) the study of the capability of controlling the thermal conductivity of TEMs and (ii) the development, testing and improvement of an automotive thermoelectric generator (ATEG).The first part of the thesis proposes a novel approach to the use of thermoelectric couples, treating them as variable insulators in thermal systems.The second part of this investigation is focused on exhaust heat recovery development. In the first place, author describes a method to help ATEG design and to predict its performance in terms of fuel economy
Aquest treball se centra en dues àrees relacionades amb la termoelectricitat: (i) l'estudi de la capacitat de controlar la conductivitat tèrmica dels materials termoelèctrics i (ii) el desenvolupament, assaig i millora d'un generador termoelèctric per automoció (ATEG).La primera part de la tesi proposa un nou enfocament sobre l'ús dels materials termoelèctrics, tractant-los com a aïllaments variables en sistemes tèrmics.La segona part d'aquesta investigació se centra en el desenvolupament de la recuperació de calor en tubs d’escapament

Existe una gran cantidad de neumáticos desechados cada año, debido al aumento descontrolado del parque automotor. Por lo tanto, el reciclaje y el reutilizo de neumáticos de caucho se convierte cada vez más en una obligación y es por ello que se propone una posible solución utilizando el caucho como reemplazo del agregado fino en construcción. El objetivo de esta investigación fue estudiar las propiedades del mortero con caucho en remplazo del agregado fino en porcentajes de 10%, 20% y 30% tomando como modelo un mortero tradicional. Los ensayos realizados fueron el de conductividad térmica y de resistencia a la compresión, la cual se midió a los 7 y 14 días. Los resultados del ensayo de transmisibilidad térmica indicaron que el mortero con caucho en reemplazo parcial del agregado fino presenta un buen comportamiento como aislante térmico y que a mayor porcentaje de caucho se tiene una menor transmisibilidad térmica a través de los muros. Por otro lado, los resultados del ensayo de resistencia a compresión muestran que el mortero que contiene caucho tiene una menor resistencia que un mortero tradicional, sin embargo, puede ser utilizado para revestimiento de muros y elementos estructurales.
There is many discarded tires every year, due to the uncontrolled increase in the vehicle fleet. Therefore, the recycling and reuse of rubber tires is becoming more and more an obligation and that is why a possible solution is proposed using rubber as a replacement for fine aggregate in construction. The objective of this research was to study the properties of the mortar with rubber to replace the fine aggregate in percentages of 10%, 20% and 30%, taking a traditional mortar as a model. The tests carried out were the thermal conductivity and resistance to compression, which was measured at 7 and 14 days. The results of the thermal transmissibility test indicated that the mortar with rubber in partial replacement of the fine aggregate shows good behavior as a thermal insulator and that the higher the percentage of rubber, the lower the thermal transmissibility through the walls. On the other hand, the results of the compressive strength test show that the rubber-containing mortar has a lower resistance than a traditional mortar, however, it can be used for cladding walls and structural elements.
Trabajo de investigación

La presente tesis doctoral versa sobre el transporte de calor llevado a cabo por los fonones en sólidos cristalinos semiconductores. La motivación de este trabajo es doble. En primer lugar, se pretende contribuir a entender mejor cómo funciona el transporte de calor a distintas escalas de tamaño: desde semiconductores con tamaño bulk (del orden de milímetros o mayores) hasta semiconductores nano-estructurados, como por ejemplo nanocables o láminas finas, cuyos tamaños característicos están en la escala nanométrica. La intención es describir dicho transporte de calor en estas escalas en un amplio rango de temperaturas, prestando especial atención a las colisiones entre fonones, pues son la causa intrínseca de la propagación del calor en los sólidos cristalinos semiconductores. En segundo lugar, se pretende mejorar la capacidad de predicción a la hora de describir el comportamiento de la conductividad térmica de los semiconductores más comunes por su implicación en procesos termoeléctricos, como son el silicio, el diamante, el germanio y el bismuto de telurio. Para lograr alcanzar estos objetivos, es necesario formular un nuevo modelo que nos permita superar las dificultades asociadas a los modelos ya existentes, con el objetivo de cumplir dos condiciones muy deseables. Por un lado, obtener una expresión general para la conductividad térmica válida para diferentes materiales, que pueda ser aplicada a muestras de dichos materiales con diferentes composiciones isotópicas, diferentes tamaños (desde la macro hasta la nano-escala) y con diferentes geometrías. Por otro lado, dicha expresión deberá tener el menor número posible de parámetros ajustables para asegurar la fiabilidad del modelo. La potencialidad de dicho modelo radicaría en servir como herramienta a la hora de guiar el diseño de dispositivos termoeléctricos más eficientes. La presente tesis se organiza en 8 capítulos ordenados de la siguiente manera: En el capítulo 1 se contextualiza el tema en el que está enmarcado el presente trabajo de investigación y se presentan los conceptos físicos necesarios para trabajar con el transporte fonónico. En el segundo capítulo se desarrolla la dinámica de la red para los distintos materiales que serán objeto de estudio en el presente trabajo, en particular se aplica el modelo Bond-charge para obtener las relaciones de dispersión y la densidad de estados de los semiconductores del grupo IV (silicio, germanio, diamante y estaño gris) y análogamente se aplica el modelo Rigid-ion sobre el bismuto de telurio para obtener sus relaciones de dispersión y densidad de estados. Los tiempos de relajación apropiados para dichos materiales se discutirán en detalle en el capítulo 3, proponiendo nuevas expresiones empíricas para describir las interacciones fonón-fonón. En el capítulo 4 se introducen y discuten los modelos de conductividad térmica más representativos de la literatura y a continuación se presenta un nuevo modelo para predecir la conductividad térmica: el modelo Kinetic-collective, cuya principal característica consiste en interpretar el transporte de calor en dos regímenes diferentes, el primero de ellos de tipo cinético donde los fonones son tratados como partículas libres y el segundo de tipo colectivo donde todos los fonones que participan en el transporte pierden su individualidad y se comportan como una colectividad de partículas. En el capítulo 5 el modelo Kinetic-collective se aplica a silicio bulk con diferentes composiciones isotópicas, y a varias muestras de silicio nanoestructuradas con diferentes geometrías y tamaños efectivos. Se obtienen predicciones de la conductividad térmica en un amplio intervalo de temperaturas que concuerdan satisfactoriamente con las medidas experimentales y se discuten diversos aspectos novedosos sobre el transporte fonónico. En el capítulo 6 el modelo Kinetic-collective se aplica al resto de materiales componentes del grupo IV de semiconductores y se obtiene una relación teórica que nos permite predecir los valores de los parámetros libres asociados a los tiempos de relajación de dichos materiales y así poder predecir sus conductividades térmicas sin la necesidad de añadir nuevos parámetros. En el capítulo 7 vamos un paso más allá y aplicamos el modelo a bismuto de telurio, obteniendo predicciones de la conductividad térmica para nanocables con diferentes diámetros y discutimos los resultados en vista a posibles aplicaciones termoeléctricas. Finalmente, el capítulo 8 está dedicado a recoger las principales conclusiones de este trabajo de investigación y a indicar posibles líneas futuras de trabajo surgidas a consecuencia de los resultados obtenidos.
The aim of this theoretical work is twofold. First, to contribute to a better understand- ing of phonon heat transport in bulk and nanostructured semiconductors, like thin-films or nanowires, in a wide range of temperatures, paying special attention to phonon-phonon col- lisions. Second, to improve the prediction capability of the thermal conductivity of the most common semiconductors. To achieve this, it becomes necessary the formulation of a new model allowing us to overcome the diculties associated to the existing models, with the aim to fulfill two desirable conditions: to provide a general expression for the thermal conduc- tivity, valid for several materials with di↵erent size-scales and geometries in a wide range of temperatures, and to have the smallest number of free adjustable parameters to assure the reliability of the model. The potentiality of such model would be to serve as a useful tool to design more ecient thermoelectric devices. The fruit of our study is the Kinetic-collective model which is developed in the framework of the Boltzmann transport equation as a natural generalization of the Guyer-Krumhansl model. Since phonon interactions are the source of thermal resistance, they deserve a special discussion in any thermal conductivity study. Precisely, the keystone in our work is the treatment of phonon-phonon collisions regarding their di↵erent nature. The prediction capability of the model need to be tested on several materials. In particular, we study five materials with thermoelectric interest. In first place, silicon, because it is an ideal test material due to the considerable amount of experimental data available in the literature, and because of its inherent scientific and technological importance. Secondly, we extend our study to other materials with the same lattice structure as silicon, that is the family of group IV element semiconductors (germanium, diamond, silicon and gray-tin), which also have been object of intense study, specially germanium, due to the recent and fast development of SiGe alloys and superlattices. Finally, we finish our study with a more complicated material regarding its lattice structure, bismuth telluride, which is known to be a very ecient thermoelectric material due to its high figure of merit. The Thesis is arranged in eight Chapters. The lay out is as follows: Chapter 1 con- textualizes the topic of the work and briefly introduces the basic physics related to phonon transport. In Chapter 2 the fundamental quantity necessary for considering any thermal property, the phonon dispersion relations, have been obtained for the materials under study. For this purpose, two lattice dynamics models are used: the Bond-charge model for group-IV semiconductors (silicon, germanium, diamond and gray-tin), and the Rigid-ion model for bismuth telluride (Bi2Te3). Along with their corresponding phonon dispersion relations, phonon density of states and specific heat results are also presented. The phonon relaxation times that suit these materials are discussed in Chapter 3, where new expressions to account for the phonon-phonon collisions are also presented. In the first part of Chapter 4 the most represen- tative thermal conductivity models to date are introduced and discussed, in the second part, a new model to predict the thermal conductivity, the Kinetic-collective model, is presented and its conceptual di↵erences and advantages with respect to previous similar models are discussed. In Chapter 5 the Kinetic-collective model is applied to silicon bulk samples with di↵erent isotopic composition and several nanostructured samples with di↵erent geometries (thin-films and nanowires) obtaining predictions for their thermal conductivity in a wide in- terval of temperatures. Some novel aspects of phonon transport arising from these results are discussed. In Chapter 6 the Kinetic-collective model is applied to the other group-IV materials using theoretical expressions to predict their relaxation times and, eventually, their thermal conductivity. Results for several samples with di↵erent isotopic compositions in a wide range of temperature are presented and discussed. In Chapter 7 the Kinetic-collective model is applied to Bi2Te3, providing thermal conductivity predictions for nanowires with several diameter values, and the results are discussed in view of possible applications in ther- moelectricity. Finally, in Chapter 8 the main conclusions of this Thesis are summarized and possible future lines of work stemming from its several results are discussed.

La tendència creixent a la indústria electrònica de fer aparells cada vegada més petits, més lleugers i que treballin més ràpid provoca un augment de calor generat per efecte Joule, degut a l’augment de freqüència del pas d’electrons. Eliminar aquest excés de calor requereix la millora de la conductivitat tèrmica dels materials ja existents, ja que el mantenir la temperatura de treball d’aquests dispositius està directament relacionat amb l’eficiència, el temps de vida útil i la prevenció de fallades prematures dels equips. Alguns elements dels dispositius electrònics es recobreixen amb reïnes termoestables epoxídiques. Per aquesta raó, augmentar la conductivitat tèrmica d’aquestes reïnes, aïllants per naturalesa, mantenint l’aïllament elèctric, resulta de gran importància en diverses indústries com l’electrònica i l’elèctrica. El mètode més senzill i econòmic per assolir aquest propòsit és mitjançant l’addició de partícules a la matriu polimèrica. En aquesta tesis doctoral s’han utilitzat diferents tipus de partícules per aconseguir els objectius en diverses matrius epoxídiques: nitrur de bor (BN), alúmina (Al2O3), nitrur d’alumini (AlN), carbur de silici (SiC), grafit expandit (EG) i nanotubs de carboni (CNTs). Experimentalment, s’ha determinat la influència que cada material afegit té sobre les propietats finals dels materials compostos, especialment de les característiques mecàniques, tèrmiques i elèctriques. El millor resultat obtingut pels objectius proposats ha estat la combinació del 70 % en pes de BN i un 2.5 i 5 % en pes de EG, arribant a més d’un 1600 % de millora en conductivitat tèrmica respecte el material de partida. Les conductivitats tèrmiques obtingudes han estat de 2,08 i 2,22 W/m·K, respectivament. A més, aquests materials han mantingut resistivitats elèctriques prou bones, al voltant de 10^10 i 10^6 Ω·m respectivament.
La tendencia de la industria electrónica de crear dispositivos cada vez más pequeños, más ligeros y que trabajen más rápido lleva a un aumento en la producción de calor generado por efecto Joule, debido al aumento de la frecuencia de paso de los electrones. Eliminar este exceso de calor lleva a la necesidad de mejorar la conductividad térmica de los materiales ya existentes, ya que limitar la temperatura de trabajo de los dispositivos está directamente relacionada con su eficiencia, su tiempo de vida útil y previene la aparición de fallos prematuros de los equipos. Algunos elementos de estos dispositivos están recubiertos de resina termoestable epoxídica. Por esta razón, aumentar la conductividad térmica de estas resinas, aislantes por naturaleza, resulta de gran importancia en varias industrias como la electrónica y la eléctrica. El método más simple y económico para alcanzar este propósito es mediante la adición de partículas a la matriz polimérica. En esta tesis doctoral se han utilizado diferentes tipos de partículas en varias matrices epoxídicas: nitruro de boro (BN), alúmina (Al2O3), nitruro de aluminio (AlN), carburo de silicio (SiC), grafito expandido (EG) y nanotubos de carbono (CNTs). Se ha determinado experimentalmente la influencia de cada material añadido en las propiedades finales de los materiales compuestos, especialmente en sus características mecánicas, térmicas y eléctricas. El mejor resultado obtenido en cuanto a los objetivos propuestos ha sido la combinación del 70 % en peso de BN y un 2.5 y 5 % en peso de EG, alcanzando más de un 1600 % de mejora en conductividad térmica respecto al material de partida. Las conductividades térmicas alcanzadas han sido de 2,08 y 2,22 W/m·K respectivamente. Además, estos materiales han mantenido unas resistividades eléctricas suficientes, alrededor de 10^10 y 10^6 Ω·m, respectivamente.
The tendency in electronics to produce smaller and lighter devices with higher power output causes an increase of the generated heat (Joule effect) by the increase in the frequency of electrons. Evolve this exceeding heat cause the need to improve some properties that existent materials do not meet, since keeping the working temperature of these devices is directly related to efficiency, useful lifetime and prevention of premature equipment failures. Some elements of these devices are coated by epoxy resins and this is the reason why enhance the thermal conductivity of them, insulators by nature, is of great importance in several industries such as electronics and electrical. The most economic and simple technique to face this issue is still today through the addition of high thermal conductive fillers. In this doctoral thesis, boron nitride (BN), alumina (Al2O3), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), expanded graphite (EG) and carbon nanotubes (CNTs) have been used. Experimentally, the influence of each filler has been determined in the final composites, especially in the thermal, mechanic and electric characteristics. The materials with the best performances in the proposed objectives were those of homopolymerized cycloaliphatic epoxy resin with the combined addition of 70 wt. % of BN platelets and 2.5 and 5 wt. % of EG. The values of thermal conductivity improved by more than 1600 % in reference to the neat epoxy and were 2.08 and 2.22 W/m·K, respectively. These materials also kept enough electrical insulation, in the range of 10^10 and 10^6 Ω·m, respectively.

Tanto en el Perú como en otras partes del mundo, el adobe es uno de los materiales de construcción más utilizados en la construcción de viviendas en las zonas rurales debido a su bajo costo y accesibilidad. Sin embargo, las viviendas en dichos entornos son, lamentablemente, llevadas a cabo con procedimientos constructivos empíricos y erróneos; provocando, entre muchos factores, que su comportamiento térmico no sea idóneo a las bajas temperaturas que presentan dichas zonas rurales en temporadas de friaje excesivo. Sin embargo, existe un mineral denominado diatomita que abunda en numerosos yacimientos en la cercanía de la cordillera de los Andes y que posee grandes propiedades térmicas, lo que lo convierte en un gran aislante térmico capaz de suplir la falencia de los bloques de adobe convencionales originarios de la zona. Por ello, esta investigación busca evaluar el comportamiento térmico de bloques de adobe adicionados con diatomita en comparación a los convencionales con el fin de mejorar el aislamiento térmico de las viviendas rurales que usan dichos bloques como principal material de construcción mediante la reducción del coeficiente de conductividad térmica. Dicho esto, en primer lugar, se determinó tanto el lugar de estudio como las principales propiedades de los materiales extraídos de dicha zona. Posteriormente, se estimó teóricamente el porcentaje de reducción de la conductividad térmica para diferentes porcentajes de diatomita con el análisis de otras investigaciones. Luego, con los porcentajes de reducción obtenidos se procedido a calcular los coeficientes de conductividad térmica y otros parámetros para las diferentes muestras de adobe con diferentes porcentajes de diatomita (0%, 10% y 20%). Por último, los datos calculados se ingresaron al software ECOTECT junto a una data climatológica de la zona de estudio para realizar el análisis térmico y compararlos con los resultados obtenidos de los bloques de adobe originarios de la zona de estudio, lo cual nos permite verificar si la diatomita mejoró el comportamiento térmico del adobe. De este modo, se obtuvo que en la condición más adversa (día más frio del año) la muestra con 20% de diatomita tuvo una mejora de temperatura del 23.18% en comparación con el adobe empírico.
In both Peru and other parts of the world, adobe bricks are one of the most used construction materials applied in rural areas due to its low cost and great accessibility. Houses in these environments are, unfortunately, carried out with empirical and erroneous construction procedures; causing, among many factors, that its thermal behaviour is not ideal at the low temperatures that these rural areas present in seasons of excessive cold. However, there is a mineral known as diatomite, whose abundance in numerous deposits in the vicinity of the Andes mountain range is quite notorious, this mineral has great thermal properties, making it a great thermal insulator capable of filling the gap of common adobe blocks originating in the area. Therefore, this research seeks to evaluate the thermal behaviour of an adobe brick added with powdered diatomite compared to a traditional adobe brick, in order to improve the thermal insulation of homes by reducing the coefficient of thermal conductivity and improving its internal temperatures. Therefore, firstly, both the ideal study location and the main properties of the materials extracted from said area were determined. Subsequently, the percentage reduction in thermal conductivity for different percentages of diatomite was theoretically estimated with the analysis of other investigations. Then, with the reduction percentages obtained, the thermal conductivity coefficients and other parameters were calculated for the different adobe samples with different percentages of diatomite (0%, 10% and 20% diatomite). Finally, the calculated data was entered into the ECOTECT software together with a climatological data from the study area to carry out the thermal analysis and compare them with the results obtained from the empirical adobe bricks and verify if the diatomite improved the thermal behaviour of the adobe. In this way, it was obtained that in the most adverse condition (coldest day of the year) the sample with 20% diatomite had a temperature improvement of 23.18% compared to empirical adobe.
Tesis

El adobe es un material comúnmente empleado en las viviendas de la Sierra Peruana, ello se debe principalmente a su fácil acceso y menor precio. Un factor característico de esta región es su baja temperatura en invierno. La mayor parte de las construcciones en esta zona son precarias y no son construidas pensando en obtener un mejor confort térmico, el cual puede afectar en la salud de los habitantes y en su calidad de vida. Por tal motivo, la presente investigación tiene como objetivo revestir los muros de adobe con paneles de corcho con el fin de mejorar el confort térmico de las viviendas unifamiliares. Para validar esta investigación, se optó realizar un registro de temperaturas de tres viviendas de adobe con diferentes dimensiones en un lapso de tiempo y, con los datos obtenidos, calcular su conductividad térmica con el fin de determinar cuál de ellas presentaba el peor caso. Luego, se procedió a revestir interiormente la vivienda escogida con paneles de corcho, ya que este material es buen aislante térmico natural, proveniente del alcornoque, que puede proveer un mejor confort térmico dentro de la vivienda. Después, se procederá a realizar los mismos pasos desarrollados en la vivienda sin revestir con el fin de determinar si se presentó alguna mejoría en su resistencia térmica. Finalmente, se obtuvo como resultado que el revestimiento de panel de corcho disminuyó la conductividad térmica en un 10.43% con respecto a la vivienda sin revestir.
Currently, adobe is a material commonly used in the homes of the Peruvian Sierra, this is mainly due to its easy access and lower price. A characteristic factor of this region is its low temperature in winter. Most of the buildings in this area are precarious and are not built with the aim of obtaining better thermal comfort, which can affect the health of the inhabitants and their quality of life. For this reason, the purpose of this research is to cover adobe walls with cork panels to improve the thermal comfort of single-family homes. To validate this research, it was decided to make a temperature record of three adobe houses with different dimensions over a period of time and calculate their thermal conductivity with the data obtained to determine which of them had the worst case. Then, the chosen house was internally coated with cork panels because this material is a good natural thermal insulator, coming from the cork oak, which can provide better thermal comfort inside the house. Then, the steps done at the home without coating will be performed at the same home with coating to determine if there was any improvement in its thermal resistance. Finally, it was obtained as a result that the cork panel covering decreased the thermal conductivity by 10.43% with respect to the uncoated house.
Trabajo de investigación

L'objectiu d'aquest treball és analitzar mètodes químics de baix cost com a ruta per a sintetitzar òxids avançats a baixa temperatura. En particular, hem explorat l'SHS per a la síntesi d'un òxid catalitzador fent servir pólvores de ciano complexes heteronuclears. També hem explorat el transport de calor per a sintetitzar capes via VCS concloent que les capes primes rarament experimentaran una combustió. Per això hem analitzat la condició necessària per que tingui lloc una combustió volumètrica en una mostra sòlida que reacciona sense intercanvi de gasos amb el seu entorn. Per fer-ho, hem ampliat el criteri de Frank-Kaminetskii per a sistemes d'escalfament continu i per a reactors cilíndrics. Per la part experimental em fet servir tècniques l'anàlisi tèrmica (TA). Hem desenvolupat un mètode per a mesurar la conductivitat tèrmica en pólvores per DSC. Finalment, hem desenvolupat dos criteris per a comprovar la fiabilitat en la mesura de la temperatura als experiments de TA.
The aim of this work is to analyse chemical methods as a route to synthesise advanced oxides at low cost and low temperatures. In particular, we have explored the combustion synthesis of a catalytic perovskite-type oxide from heteronuclear cyano complex powders. We have also explored heat transfer to synthesise films via VCS and concluded that thin films will hardly experience combustion. In particular, we have analysed the conditions needed for a thermal explosion to occur in a solid sample reacting without any gas exchange with its surroundings. For that purpose, we have extended the Frank-Kamenetskii relationship to continuous heating systems and to cylindrical reactors. The experimental component of this work is based on thermal analysis methods (TA). We have developed a new method to measure thermal conductivity of powders by DSC. Finally, we have developed two analytical relationships to check the reliability of the sample temperature in TA experiments.

The hydro-mechanical behaviour of soils during freezing and thawing is a coupled multi-physics process that has important practical applications. To cite but a few examples, on artificial ground freezing –to provide structural support and exclude the groundwater from underground constructions–, on seasonal variations of permafrost soils and their consequences on infrastructures, on geocomposite capillary barriers used to reduce frost heave in soils, and on engineered barriers subjected to freezing and thawing processes. Despite this importance, ice content and its migration process, as well as the coupled hydro-mechanical behaviour have not been extensively studied in partially saturated frozen soils. In these soils, ice formation increases the number of phases and the complexity of the experimental studies. In this thesis, the unfrozen liquid saturation and the hydro-mechanical behaviour of two frozen soils (Barcelona clayey silt and fine sand) have been investigated at different initial degrees of saturation. A series of experimental setups have been designed and built to perform the tests (oedometer cell installed in a freezing/thawing chamber to control the temperature up to -15°C; setup for freezing cylindrical samples in an electrical resistivity tomography ERT cell with 16 lateral electrodes). Different methods have been considered and several models proposed in the thesis to indirectly determine the unfrozen liquid saturation of compacted soils at different temperatures, porosities and initial degrees of saturation. The methods rely on measurements during transient freezing of the bulk electrical conductivity EC, relative dielectric permittivity, and thermal conductivity. In the case of EC tests, the unfrozen liquid saturation results have been interpreted with a modified Archie’s law and compared to the electrical conductivity of the pore liquid. The soil freezing retention curve (unfrozen liquid saturation vs temperature) has been also estimated by combining the Clausius-Clapeyron equation with water retention data on drying, as well as with a capillary bundle model with mercury intrusion porosimetry MIP results. A very good agreement has been found between the proposed approach using bulk EC measurements and the water retention and porosimetry results, which validated the proposed models. The EC model has been used to interpret the transient freezing of cylindrical homogeneous samples that have been exposed to very low temperatures at its central axis (-15°C) and with adiabatic conditions imposed at the external boundaries. A 2D ERT setup is used to monitor the phase change and the migration of pore liquid. Reconstructed maps of EC have been translated into images of temperature and unfrozen liquid saturation at different elapsed times. The reconstructed temperature field showed good agreement with direct temperature measurements using inserted thermocouples. The ERT tests have been also performed on homogeneous samples with inclusions (low electrical conductive or high electrical conductive zones), which indicated that the ERT system could perfectly detect the effects of these anomalies on a transient freezing process. The volume change behaviour on freezing/thawing has been investigated on saturated samples using temperature controlled oedometer cells under different constant vertical stresses. A small irreversible compression has been systematically detected after a freezing/thawing cycle on different soils, which depended on the current stress state. The microstructural changes of the compacted samples after freezing/thawing paths have been also explored using MIP and field emission scanning electron microscopy FESEM observations, which have been analysed using PCAS image processing software. MIP results have indicated that the freezing/thawing process might have decreased the macropore volume (between aggregates) and enlarge some micropore volume.
El comportamiento hidromecánico de los suelos durante la congelación y descongelación es un proceso multifísico acoplado que tiene importantes aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en la congelamiento artificial del terreno -para dar soporte estructural y evitar el agua en construcciones subterráneas-, en las variaciones estacionales de suelos permafrost y sus efectos sobre las infraestructuras, en las barreras capilares utilizadas para reducir los efectos de heladas, y en barreras de ingeniería sometidas a ciclos de congelación/descongelación. A pesar de esta importancia, el contenido de hielo y su proceso de migración, así como el comportamiento hidromecánico acoplado, no se han estudiado en forma extensa en los suelos parcialmente saturados. En estos suelos, la formación de hielo aumenta el número de fases y la complejidad de los estudios experimentales. Se han estudiado el grado de saturación de líquido descongelado y el comportamiento hidromecánico de dos suelos congelados (limo arcilloso de Barcelona y arena fina) a diferentes grados de saturación iniciales. Se han diseñado y construido una serie de equipos experimentales para realizar los ensayos (célula edométrica en una cámara de congelación/descongelación para controlar la temperatura hasta -15 °C; equipo para congelar muestras cilíndricas en una célula de tomografía de resistividad eléctrica ERT con 16 electrodos laterales). Se han utilizado diferentes métodos y se han propuesto modelos para determinar indirectamente la saturación de líquido descongelado en suelos compactados a diferentes temperaturas, porosidades y grados de saturación iniciales. Los métodos se basan en mediciones de la conductividad eléctrica del suelo EC, la permitividad dieléctrica relativa y la conductividad térmica. En el caso de los ensayos de EC, los resultados se han interpretado con una ley de Archie modificada y se han comparado con la conductividad eléctrica del líquido intersticial. La curva de retención de congelación del suelo (grado de saturación de líquido descongelado frente a temperatura) se estimó combinando la ecuación de Clausius-Clapeyron con los datos de retención al agua durante el secado, así como con un modelo capilar utilizando porosimetría de intrusión de mercurio MIP. Los resultados de las mediciones de EC, así como de retención al agua y porosimetría, han sido muy consistentes lo que ha permitido validar al modelo. El modelo EC se ha utilizado para interpretar la etapa transitoria de congelación de muestras cilíndricas, que han estado expuestas a temperaturas muy bajas en su eje central (-15 °C) y con condiciones adiabáticas en los contornos. Se utiliza ERT 2D para controlar el cambio de fase y la migración del líquido de poro. Los mapas reconstruidos de EC se han convertido en mapas de temperatura y de saturación de líquido descongelado a lo largo del tiempo. El dominio reconstruido de temperatura resultó ser consistente con las medidas directas de temperatura con termopares. Los ensayos ERT también se realizaron sobre muestras con inclusiones (zonas de alta o baja conductividad eléctrica), que han evidenciado la utilidad de este método para detectar los efectos de estas anomalías durante una congelación. Los cambios de volumen durante un ciclo de congelación/descongelación se han investigado sobre muestras saturadas a diferentes tensiones verticales constantes utilizando células edométricas de temperatura controlada. Se ha detectado una pequeña compresión irreversible después de la congelación/descongelación, que depende del estado tensional. También se han estudiado los cambios microestructurales generados después de un ciclo de congelación/descongelación utilizando MIP e imágenes de microscopía electrónica FESEM analizadas mediante tratamiento de imágenes PCAS. Los resultados de MIP han indicado que el ciclo de congelación/descongelación podría haber disminuido el volumen de macro

La tendencia de la miniaturización tecnológica ha conducido a la generación de densidades de potencia que exceden los 100 watts/cm2, los cuales están en el orden del calor producido en los reactores termonucleares. La necesidad de nuevas técnicas y procesos de enfriamiento ha posicionado al manejo térmico en el escenario científico en estos últimos años. Por otro lado, la ingeniería de la conducción térmica puede abrir rutas nuevas rutas para recolección energética, por ejemplo, a través de la generación termoeléctrica. Como consecuencia, el control y la ingeniería de fonones a nivel nanométrico es una indispensable herramienta para el ajuste de propiedades físicas deseadas en dispositivos en la búsqueda de un adecuado compromiso entre performance y el consumo de potencia. En el siguiente trabajo se presenta un exhaustivo estudio teórico y experimental de la dependencia con el grosor de las propiedades térmicas en membranas de silicio con espesores que fluctúan entre los 9 a los 2000 nm. La relación de dispersión fononica y la correspondiente velocidad de fase han sido investigadas por medio de la espectroscopia inelástica de la luz Brillouin. La reducción de la velocidad de fase/grupo del modo fundamental de flexión fue observada y teóricamente explicada. Además, la reducción de los tiempos de vida media de fonones acústicos coherentes con frecuencias máximas que bordean los 500 GHz también ha sido estudiada utilizando una de las últimas técnicas ultrarrápidas de resolución temporal (ultrafast pump-probe) conocida como: asynchronous optical sampling (ASOPS). Por medio de esta técnica se observo la dramática disminución de los tiempos de vida del primer modo de dilatación desde los ~ 4.7 ns a los 5 ps en mebranas con grosores entre los ~ 194 a los 8 nm. Finalmente, la conductividad térmica de estas membranas fue investigada utilizando tres diferentes técnicas de caracterización conocidas como: Single laser termometría Raman, doble-laser termometría Raman y gradiente térmico transitorio. Por medio de estas técnicas hemos encontrado que la conductividad térmica de las membranas se reduce sistemáticamente con el grosor de estas, alcanzando valores tan bajos como 9 Wm-1K-1 para la membrana más delgada. Para entender estos drásticos cambios en las propiedades térmicas de las membranas, diferentes aproximaciones teóricas han sido desarrolladas. La simulación de la relación de dispersión acústica fue desarrollada utilizando tres modelos diferentes: el modelo elástico continuo, el modelo de Debye y un modelo ajuste. La dependencia de los tiempos de vida media fueron simulados considerando procesos de dispersiones extrínsecas e intrínsecas. Mientras que conductividad térmica fue modelada utilizando la modificación del modelo bidimensional de Debye (Modelo de Huang), el modelo de Srivastava-Callaway-Debye y el modelo de Fuchs-Sondheimer. Estas observaciones tienes consecuencias significativas para la tecnología basas en el silicio, estableciendo las bases para la investigación de las propiedades térmicas de otros sistemas de baja dimesnionalidad. Ademas, este estudio proporcionaría las directrices de diseño generando nuevo enfoques para el manejo térmico a escalas nanométricas.
The miniaturization trend of the technology has led to power level densities in excess 100 watts/cm2, which are in the order of the heat produced in a nuclear reactor. The need for new cooling techniques has positioned the thermal management on the stage the last years. Moreover, the engineering of the thermal conduction opens a route to energy harvesting through, for example, thermoelectric generation. As a consequence, control and engineering of phonons in the nanoscale is essential for tuning desirable physical properties in a device in the quest to find a suitable compromise between performance and power consumption. In the present work we study theoretically and experimentally the thickness-dependence of the thermal properties of silicon membranes with thicknesses ranging from 9 to 2000 nm. We investigate the dispersion relations and the corresponding modification of the phase velocities of the acoustic modes using inelastic Brillouin light scattering spectroscopy. A reduction of the phase/group velocities of the fundamental flexural mode by more than one order of magnitude compared to bulk values was observed and is theoretically explained. In addition, the lifetime of the coherent acoustic phonon modes with frequencies up to 500 GHz was also studied using state-of-the-art ultrafast pump-probe: asynchronous optical sampling (ASOPS). We have observed that the lifetime of the first-order dilatational mode decreases significantly from ∼ 4.7 ns to 5 ps with decreasing membrane thickness from ∼ 194 to 8 nm. Finally, the thermal conductivity of membranes was investigated using three different contactless techniques known as single-laser Raman thermometry, two-laser Raman thermometry and transient thermal gradient. We have found that the thermal conductivity of the membranes gradually reduces with their thickness, reaching values as low as 9 Wm-1K-1 for the thinnest membrane. In order to account for the observed thermal behaviour of the silicon membranes we have developed different theoretical approaches to explain the size dependence of thermal properties. The simulation of acoustic dispersion was carried out by using models based on an elastic continuum approach, Debye and fitting approaches. The size dependence of the lifetimes was modelled considering intrinsic phonon-phonon processes and extrinsic phonon scatterings. The thermal conductivity was modelled using a modified 2D Debye approach (Huang model), Srivastava-Callaway-Debye model and Fuchs-Sondheimer approach. Our observations have significant consequences for Si-based technology, establishing the foundation to investigate the thermal properties in others low-dimensional systems. In addition, this study would provide design guidelines and enable new approaches for thermal management at nanometric scales.

Tesis (Doctor en Física)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía y Física, 2015.
En esta tesis se sintetizaron, caracterizaron y funcionalizaron nanopartículas (NPs) de óxidos de hierro (ferritas de Mn-Zn y Mn-Zn-Li, magnetita recubierta con C y ferritas de Ni y de Ni-Gd) para aplicaciones de interés tecnológico. Los métodos de síntesis fueron los métodos químicos sol-gel y co-precipitación y el mecanoquímico de molienda de alta energía. Se estudiaron las sus propiedades estructurales, magnéticas y morfológicas de los polvos por difracción de rayos X, magnetometría de muestra vibrante, dispositivos superconductores de interferencia cuántica, microscopías electrónica de barrido, de transmisión y de transmisión de alta resolución. De cada sistema de partículas se seleccionaron los polvos con propiedades óptimas y se funcionalizaron para aplicaciones biotecnológicas (hipertermia y biosensores) y para dispositivos de transferencia de calor.