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La conductividad térmica de un material o elemento, es una propiedad definitoria que ayuda en el desarrollo de tecnologías eficaces de calefacción/enfriamiento. El valor de la conductividad térmica puede determinarse midiendo la velocidad a la cual el calor atraviesa un material. Este valor se expresa en Watts por minuto por grado Kelvin W/m•K siguiendo la S.I. (Sistema Internacional) . Materiales con alta conductividad podrán transmitir efectivamente el calor , mientras que materiales con baja conductividad térmica no lo harán tan fácilamente y son lentos en tomar el calor de su entorno.
Numerosas propiedades químicas y físicas de un element o material pueden influenciar su conductividad térmica. En general , materiales de composición química y estructura molecular simple poseen una alta conductividad térmica. Una característica muy común que puede influenciar en el valor de la conductividad térmica de un material, es su porosidad. El aire tiene una conductividad térmica 0.02 W/m•K a temperatura ambiente (20-25°C). Este valor es considerablemente bajo respecto a la mayoría de los materiales sólidos. Cuando el aire es atrapado en los poros de una sustancia puede disminuir la velocidad a la cual el calor puede pasar en forma efectiva a través de ellos. El tamaño del poro , su distribución , forma y conectividad , todos influencian en la porosidad de un material. Una porosidad elevada disminuirá la conductividad térmica. Otros factores externos que pueden impactar en la conductividad térmica, es la humedad y la dirección del flujo de calor. El agua y el hielo tienen una mayor conductividad térmica que el aire. Si un material es expuesto a un ambiente húmedo , esta puede potencialmente ser absorbida y consecuentemente incrementara el valor de la conductividad térmica. La estructura molecular de un material también puede potencialmente restringir el flujo de calor. La madera es un ejemplo de material que tiene un estructura molecular compuesta por fibras rectas. El flujo de calor a través de la madera se mueve en un dirección constante siguiendo el camino que proveen las fibras . Si el calor fluye en contra de las fibras , se encontrará con una gran resistencia. Esta resistencia pueden limitar la efectiva transferencia del calor , disminuyendo la conductividad térmica del material.
Actualmente, el diamante es material conductor térmico más eficaz conocido por el hombre. La conductividad térmica de un diamante puede alcanzar hasta 2000 – 2200 W/m•K cuando se mide a temperatura ambiente (20-25 ° C). Este valor de conductividad térmica es casi 5 veces mayor que la plata, que tiene el segundo valor de conductividad más alto. El diamante se usa comúnmente en la electrónica para disipación eficaz del calor , para proteger los dispositivos sensibles del sobrecalentamiento. Sus altos valores de conductividad térmica también se pueden utilizar para detectar la autenticidad de los diamantes en las joyas.
Esta propiedad de la plata ha contribuido al uso generalizado del metal. La pasta de plata es un ejemplo de un producto manufacturado de plata que tiene una demanda en constante aumento. La pasta de plata se usa con frecuencia en la producción de celdas fotovolicas, un componente importante de los paneles solares.
El cobre es el material con la tercera conductividad térmica más alta y también es el metal más popular para la fabricación de tecnologías de conducción. El cobre es un material extremadamente efectivo para minimizar la pérdida de energía durante la transferencia de calor. El cobre tiene un alto punto de fusión y una velocidad de corrosión lenta. Sartenes, tuberías de agua caliente y disipadores de calor electrónicos son ejemplos de electrodomésticos donde se utilizan las propiedades de conductividad térmica del cobre.
El oro tiene propiedades conductoras similares al cobre, pero es escaso y muy costoso de obtener. El oro no se opaca tan rápido como el cobre y la plata, por lo que a menudo se usa en contactos eléctricos y conectores debido a su fuerte resistencia al desgaste. El aluminio es otro metal con un elevado valor de conductividad térmica. El aluminio tiene un punto de fusión relativamente bajo en comparación con otros metales y a menudo se utiliza como una alternativa más económica que el cobre. Las mezclas de cobre y aluminio se fabrican con frecuencia para aprovechar las características químicas y físicas de ambos metales y minimizar los gastos de producción.
Table 1: Top 10 de materiales conductores térmicos y los valores de su conductividad medidos en W/m•K a temperature ambiente (20-25°C).
| Material | Thermal Conductivity W/m•K at (20-25°C) |
|---|---|
| Diamond | 2000-2200 |
| Silver | 429 |
| Copper | 398 |
| Gold | 315 |
| Aluminum Nitride | 320 |
| Silicon Carbide | 270 |
| Aluminum | 247 |
| Tungsten | 173 |
| Graphite | 168 |
| Zinc | 116 |
La conductividad térmica es una característica importante de los minerales y elementos que son fundamentales y se utilizan en la ingeniería de innumerables tecnologías y herramientas. Seleccionar un material con el valor de conductividad adecuado puede aumentar la eficiencia del producto y ahorrar energía y dinero. Los conductores térmicos más excepcionales son los metales debido a su disposición electrónica interna. Los iones metálicos están apretados en forma de red (figura 3). Estos iones vibran constantemente, lo que genera calor. La estructura molecular de los metales también incluye electrones libres. Estos electrones deslocalizados transportan grandes cantidades de energía a medida que se mueven a través de la red. A medida que estos electrones colisionan con la red troncal, excitan la estructura iónica y hacen que vibre más rápidamente. El aumento de la vibración de la red comienza a generar más calor. Debido al movimiento de los electrones libres presentes en el metal, el calor generado por la vibración iónica puede transferirse a través de la sustancia de manera más eficiente.
Como establece la primera ley de la dinámica térmica, la energía no se puede crear ni destruir. La energía (calor) solo se puede transferir. La transferencia de calor efectiva requiere conductores térmicos eficientes. Los materiales con altas conductividades térmicas son cruciales en la ingeniería y el desarrollo de innumerables dispositivos y dispositivos electrónicos de transferencia de calor. Cada conductor térmico tiene propiedades químicas y físicas únicas que permiten que las propiedades de calentamiento se utilicen de forma beneficiosa.
Irimia R, Gottschling M (2016) Taxonomic revision of Rochefortia Sw. (Ehretiaceae, Boraginales). Biodiversity Data Journal 4: E7720.(n.d.). doi:10.3897/bdj.4.e7720.
The Many Uses of Silver. (n.d.). Retrieved from https://geology.com/articles/uses-of-silver/
(n.d.). Retrieved from https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/m/Material_properties_of_diamond.htm
Copper Properties and Applications – electrical, thermal, corrosion resistance, alloying and more. (n.d.). Retrieved from https://copperalliance.org.uk/knowledge-base/education/education-resources/copper-properties-applications/
Diamond Structure. (1970, January 01). Retrieved from http://sciencesolve.blogspot.com/2015/09/diamond-structure.html
Electronics: The Very Basics. (2015, April 21). Retrieved from http://stuartparkinson.com/electronics-the-very-basics/
