Conductividad térmica

Conductividad térmica

La conductividad térmica (a menudo expresada como k, λ, o κ) se refiere a la habilidad intrínseca de un material de transferir o conducir calor. Es uno de los tres métodos de transferencia de calor, siendo los otros dos: convección y radiación. Los procesos de transferencia de calor pueden cuantificarse en términos de las ecuaciones de velocidad correspondientes. La ecuación de velocidad en este modo de transferencia de calor está basada en la ley de Fourier de conducción de calor.

La conductividad térmica se da a través de la agitación molecular y contacto, y no es el resultado del movimiento de masa del sólido en sí mismo. El calor avanza con un gradiente de temperatura, desde un área de alta temperatura y alta energía molecular a un área con temperatura menor y menor energía molecular . Esta transferencia continuará hasta que se alcance el equilibrio térmico. La velocidad a la que se transfiere el calor depende de la magnitud del gradiente de temperatura, y de las características térmicas específicas del material.

La conductividad térmica se cuantifica utilizando un Sistema Internacional de Unidad (Unidades SI ) de W/m•K (vatios por metro por grado Kelvin), y es el recíproco de la resistencia térmica, que mide la habilidad de un objeto para resistir la transferencia de calor. La conductividad térmica se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

k=Q∗L/A(T2−T1)

Donde:

Q = flujo de calor (W)
L = longitud o espesor del material (m)
A = superficie del material (m2)
T2−T1 = gradiente de temperatura (K)

Variación de la conductividad térmica

La conductividad térmica de un material específico depende en gran medida de varios factores. Estos incluyen el gradiente de temperatura, las propiedades del material, y la longitud de trayecto que sigue el calor.

La conductividad térmica de los materiales de nuestro entorno varía sustancialmente; desde aquellas con conductividades bajas, tales como el aire, con una valor de 0.024 W/m•K a 0°C, hasta metales altamente conductores, como el cobre (385 W/m•K).

La conductividad térmica de los materiales determina su aplicacion; por ejemplo, los que tienen baja conductividad térmica son excelentes para aislar nuestros hogares y empresas, mientras que los materiales con alta conductividad térmica son ideales para su utilización en donde se necesite que el calor se mueva de manera rápida y eficiente de un área a otra, como en utensilios de cocina y sistemas de refrigeración para dispositivos electrónicos. Al seleccionar materiales con la conductividad térmica adecuada a su aplicación, podemos lograr el mejor resultado posible.

La conductividad térmica y la temperatura

Debido al hecho de que el movimiento molecular es la base de la conductancia térmica, la temperatura de un material tiene gran influencia sobre la conductividad térmica. Las moléculas se moverán más rápido a altas temperaturas, y por lo tanto el calor se transferirá a través del material a una velocidad mayor. Esto significa que la conductividad térmica de una misma muestra tiene el potencial de cambiar drásticamente al aumentar o disminuir la temperatura.

La habilidad para entender el efecto que tiene la temperatura sobre la conducción térmica es de suma importancia para asegurarse de que los productos se comporten como se espera cuando son sometidos al estrés térmico. Esto es especialmente importante al trabajar con productos que generan calor, como productos electrónicos, o al desarrollar materiales de protección térmica contra incendios.

La conductividad térmica y la estructura

Los valores de conductividad térmica varían de manera sustancial entre los materiales y dependen en gran manera de la estructura de cada material. Algunos materiales tendrán diferentes valores de conductividad térmica según la dirección en que conducen el calor; estos son materiales Anisotrópicos. En estos casos, el calor fluirá con más facilidad hacia una cierta dirección debido a cómo está conformada la estructura.

Al hablar de patrones de conductividad térmica, los materiales se pueden dividir en tres categorías; gases, sólidos no metálicos, y sólidos metálicos. Las diferentes habilidades de estas tres categorías en términos de transferencia de calor pueden atribuirse a las diferencias en sus estructuras y movimientos moleculares.

Los gases tienen conductividades térmicas relativas más bajas, ya que sus moléculas no están tan apretadas como las de los sólidos, y por lo tanto la transferencia de calor depende en gran medida del movimiento libre de las moléculas y de la velocidad molecular.

Los gases son transmisores térmicos deficientes. En contraste, las moléculas en los sólidos no metálicos están entrelazadas en una red mallada, y por lo tanto la conductividad térmica se da principalmente a través de vibraciones en estas mallas. La cercana proximidad de esas moléculas en comparación con las moléculas de los gases significa que los sólidos no metálicos tienen la mayor conductividad térmica de los dos, aunque hay una gran variación dentro de este último grupo.

Esta variación es parcialmente atribuible a la cantidad de aire presente dentro del sólido; los materiales con gran cantidad de poros de aire son excelentes aislantes, mientras que los que estén más entrelazados tendrán un mayor valor de conductividad térmica.

La conductividad térmica de los sólidos metálicos se diferencia aún más de los ejemplos previos. Los metales son los materiales con mayores conductividades térmicas, excepto el grafeno, y tienen la combinación única de poseer tanto conductividad térmica como eléctrica. Ambos atributos son transferidos por las mismas moléculas, y la relación entre los dos se explica por la ley de Wiedemann-Franz. Esta ley demuestra que a cierta temperatura la conductividad eléctrica será proporcional a la conductividad térmica; sin embargo, al aumentar la temperatura, la conductividad térmica del material aumentará mientras que la conductividad eléctrica disminuirá.

Medición y prueba de la conductividad térmica

La conductividad térmica es un componente importante de la relación entre los materiales, y la habilidad de entender esto nos capacita para lograr el mejor resultado de los materiales que utilizamos en todos los aspectos de nuestra vida. Para este fin, las mediciones y pruebas efectivas de conductividad térmica son de suma importancia. Los métodos de prueba de conductividad térmica pueden clasificarse en transitorios o de estado continuo. Esta definición es una característica determinante de cómo funciona cada método. Los métodos de estado continuo requieren que la muestra y las partes de referencia estén en equilibrio térmico antes de que comience la medición. Los métodos transitorios no requieren que esta regla se cumpla, y por lo tanto obtienen resultados de forma más rápida.

Referencias:

Nave, R. HyperPhysics. “Thermal Conductivity” (conductividad térmica). Universidad del Estado de Giorgia. Disponible en: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html#c1

Material de curso NDT. “Thermal Conductivity” (conductividad térmica). Centro de recursos NDT. Disponible en: https://www.ndeed.org/

Williams, M. “What is heat conduction?” (¿Qué es la conducción de calor?). Phys.Org. 9 de diciembre, 2014. Disponible en: http://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html

Base de datos de propiedades térmicas de los materiales de Thermtest. Lista de conductividades térmicas