{"id":2157,"date":"2021-05-06T16:33:12","date_gmt":"2021-05-06T19:33:12","guid":{"rendered":"https:\/\/thermtest.com\/latinamerica\/?p=2157"},"modified":"2024-10-17T17:50:07","modified_gmt":"2024-10-17T17:50:07","slug":"decisiones-decisiones-decisiones","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/thermtest.com\/latinamerica\/decisiones-decisiones-decisiones","title":{"rendered":"\u00a1Decisiones! \u00a1Decisiones! \u00a1Decisiones!"},"content":{"rendered":"\t\t
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Introducci\u00f3n<\/h2>

En blogs anteriores, compart\u00ed \u2018algunos\u2019 consejos constructivos acerca de lo que se podr\u00eda describir como \u2018los puntos esenciales o b\u00e1sicos\u2019 de la medici\u00f3n de las propiedades de transporte t\u00e9rmico asociadas con las aplicaciones de los materiales. Conf\u00edo que logr\u00e9 convencerlos de que entender la medici\u00f3n y la aplicaci\u00f3n de la conductividad t\u00e9rmica y los t\u00e9rminos correctos asociados es una tarea mucho m\u00e1s compleja que creer que se trata de un simple ejercicio experimental basado en una muestra cuyos extremos exhiben diferentes temperaturas.<\/p>

Principalmente, esto se debe a que la propiedad depende de numerosos par\u00e1metros y factores adicionales, entre ellos el tama\u00f1o y la forma de la muestra, la homogeneidad, la temperatura media, la diferencia de temperatura y el gas del medioambiente. Adem\u00e1s, los l\u00edmites del nivel de exactitud y precisi\u00f3n de la propiedad que se mide que, en ocasiones dependen del rango de temperatura, se vuelven un factor importante. Esto resulta especialmente relevante al considerar el rendimiento y comportamiento econ\u00f3mico exitosos de un sistema dise\u00f1ado, ya sea para una operaci\u00f3n criog\u00e9nica o de alta temperatura, donde un error del 5% en el valor del dise\u00f1o del material en cuesti\u00f3n puede desencadenar una diferencia millonaria en los costos.<\/p>

En los blogs anteriores se mostraba que existen dos opciones diferentes de m\u00e9todos probados que son aceptables y est\u00e1n disponibles para la medici\u00f3n del transporte t\u00e9rmico de las propiedades, y que resultan de elegir entre una de varias\u00a0opciones<\/em>\u00a0individuales<\/em>\u00a0de t\u00e9cnicas de estado estable y uno o dos m\u00e9todos transitorios \u201cuniversales\u201d<\/em>\u00a0que se encuentran disponibles. En lo personal, creo que esta elecci\u00f3n puede compararse con cenar en un restaurante y pedir men\u00fa\u00a0a la carta o men\u00fa fijo<\/em>.<\/p>

Gracias a mi experiencia de muchos a\u00f1os, siempre he podido satisfacer los requisitos y las necesidades de mediciones confiables para los clientes internacionales en un amplio espectro de usuarios, entre ellos gobiernos, industrias y el sector acad\u00e9mico. Esto me ha llevado a elaborar, y posteriormente, a trabajar con una lista de los que considero los\u00a0factores esenciales<\/strong>\u00a0que son\u00a0<\/strong>pertinentes, de forma directa, para toda decisi\u00f3n sobre el m\u00e9todo que se debe elegir. A continuaci\u00f3n, los describir\u00e9 bajo el nombre de \u201clas reglas de oro\u201d: <\/p>

Reglas de oro<\/h2>
  1. Explicar TODA informaci\u00f3n descriptiva pertinente que est\u00e9 disponible (p.ej.: componentes, composici\u00f3n de forma, homogeneidad, porosidad, densidad, tratamiento t\u00e9rmico, etc.) para identificar tanto el material como la muestra.<\/li>
  2. Garantizar la correspondiente verificaci\u00f3n independiente del modelo y el instrumento experimental asociado a un m\u00e9todo, a fin de cumplir con los requisitos de la prueba.<\/li>
  3. SOLO un valor de propiedad t\u00e9rmica mensurable se aplica a la forma de la muestra y las condiciones ambientales, y se supone que ser\u00e1 representativo del material o sistema.<\/li>
  4. Un sensor de temperatura mide SOLO SU PROPIA temperatura; el t\u00e9cnico tiene la responsabilidad de garantizar, no suponer, que es representativa del objeto posicionado bajo las condiciones de medici\u00f3n.<\/li>
  5. Al medir la propiedad de un conductor el\u00e9ctrico, es ESENCIAL medir la resistividad el\u00e9ctrica, preferentemente de forma simult\u00e1nea, durante el mismo rango de temperatura, con un valor repetido a temperatura ambiente.<\/li>
  6. Basarse en la experiencia y los antecedentes para identificar lo que est\u00e1 o podr\u00eda estar MAL, antes de aceptar una medici\u00f3n como correcta.<\/li>
  7. El cliente NO SIEMPRE TIENE LA RAZ\u00d3N.<\/li><\/ol>

    Como ejercicio para explorar esta creencia, supongamos que recibimos un \u2018material\u2019 nuevo, del que no conocemos sus propiedades t\u00e9rmicas y debemos determinarlas para un rango de aplicaci\u00f3n total o parcial de 10 k a 800 k. Adem\u00e1s, contamos con una cantidad razonable para realizar la prueba con cualquier m\u00e9todo actual reconocido, con la condici\u00f3n de que la propiedad medida debe tener un nivel de exactitud de +\/- 5% o superior. Si bien hay muchos m\u00e9todos propuestos disponibles para realizar esta tarea, diversos factores, entre ellos el tama\u00f1o y la forma de la muestra, la simplicidad y la velocidad de la operaci\u00f3n, cuestionamientos sobre la exactitud y el costo, han reducido la lista a un n\u00famero relativamente peque\u00f1o de t\u00e9cnicas actuales \u2018est\u00e1ndar\u2019, mayormente para s\u00f3lidos de alguna forma, y mediante las cuales se puede tomar una decisi\u00f3n adecuada sobre la selecci\u00f3n.<\/p>

    Como mencion\u00e9 anteriormente, para las tres \u00f3rdenes de magnitud relativas a la temperatura actual de las aplicaciones, el rango total de conductividad t\u00e9rmica de todos los materiales en sus diversos tipos es de al menos seis \u00f3rdenes de magnitud. Esto var\u00eda desde un s\u00f3lido denso homog\u00e9neo, como un metal, una cer\u00e1mica o un pol\u00edmero, hasta una masa no homog\u00e9nea altamente porosa de un material fibroso, celular o particulado con una aislaci\u00f3n t\u00e9rmica de 1000+ a 0,01 W\/m.k). Sin embargo, dentro de este rango, los diversos subgrupos incluyen formas basadas en cer\u00e1mica (aproximadamente 1 de 100), en pol\u00edmeros (aproximadamente 0,1\u00a0a 1), adem\u00e1s de muchos otros sistemas de grafito, carbono, compuestos y en capas (aproximadamente 1 de 100). El otro factor a considerar es el cambio en el valor de las propiedades con una temperatura que puede subir, bajar, o hacer ambas cosas, como en el metal puro, y presentar un pico en una temperatura intermedia.<\/p>

    Cumpliendo con las reglas de oro, la primera decisi\u00f3n ser\u00e1 clasificar el material b\u00e1sico para establecer el rango de propiedades a medir. Con tan solo tocar la superficie sabremos si es un buen o mal conductor t\u00e9rmico, al sentir fr\u00edo o calor. Con el tiempo, la experiencia personal de tratar con diferentes materiales nos permitir\u00e1 evaluar los niveles intermedios de ambos. Resulta especialmente \u00fatil para indicar la anisotrop\u00eda en propiedades tales como la diferencia 7:3:1 para los ejes del cristal de galio. Sin embargo, la condici\u00f3n de la superficie puede influir en la respuesta y se debe considerar en una medici\u00f3n.<\/p>

    Adem\u00e1s, es esencial brindar u obtener suficiente informaci\u00f3n detallada para identificar el<\/strong> material y la muestra.\u00a0<\/strong>Probablemente esto sea algo evidente pero no siempre se lo reconoce ni se informa de manera completa y con posterioridad en las publicaciones, de modo tal que facilite la verificaci\u00f3n y el an\u00e1lisis de la eficacia de cualquier valor medido. La ausencia de dichos datos respaldatorios descriptivos no ofrece una oportunidad para realizar dicho an\u00e1lisis ni permite una mayor evaluaci\u00f3n que respalde el valor de medici\u00f3n o el desarrollo de teor\u00edas o relaciones, por ejemplo, en relaci\u00f3n con los efectos de la temperatura o la cantidad o tama\u00f1o de un componente en particular. Tambi\u00e9n resulta un factor importante en relaci\u00f3n al punto 6, como veremos m\u00e1s adelante.<\/p>

    Esto \u00faltimo representa una gran decepci\u00f3n y un elemento de discordia para el profesor Yeram Touloukian<\/a> y muchos de sus colegas del TPRC (CINDAS, en la actualidad), de la Universidad de Purdue, que han dedicado tanto esfuerzo y tiempo para recabar y evaluar los datos publicados para los materiales que figuran en el gran libro azul de varios vol\u00famenes titulado\u00a0Thermal Properties of Matter\u00a0<\/em>, publicado por Plenum Press, que actualmente se est\u00e1 digitalizando para fines generales, en particular para los t\u00e9cnicos analistas, como medio para comparar o justificar sus propias mediciones. Una vez determinados la forma y el rango de propiedad, la siguiente decisi\u00f3n es seleccionar el m\u00e9todo adecuado.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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    Figura 1.<\/b> Yeram S. Touloukian<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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    Cualquier m\u00e9todo para este tema consiste en la representaci\u00f3n experimental de una ecuaci\u00f3n basada en modelos, desarrollada para describir la distribuci\u00f3n de la temperatura en un cuerpo semi-infinito, durante el cambio o en un punto de equilibrio posterior a la aplicaci\u00f3n de calor. El problema principal del dise\u00f1o b\u00e1sico de un instrumento para mediciones de estado estable es la optimizaci\u00f3n de la geometr\u00eda con respecto a los tiempos de equilibrio, la disipaci\u00f3n del calor, la transferencia de radiaci\u00f3n y la exactitud. Los instrumentos para los m\u00e9todos de flujo de calor longitudinal y radial emplean un gran sistema de muestras con configuraciones definidas m\u00e1s una protecci\u00f3n adecuada para garantizar que no haya una p\u00e9rdida o ganancia de calor, o que sea m\u00ednima, entre el calentador y el disipador de calor. Los resultados, en los que se puede cuantificar la p\u00e9rdida de calor en caso de sospecharse, se obtienen del gradiente de temperatura medido en equilibrio y las dimensiones lineales o radiales adecuadas. Estos son todos valores medidos que permiten el desarrollo directo de una evaluaci\u00f3n confiable sobre los niveles de exactitud y precisi\u00f3n. As\u00ed, todas las termocuplas deben estar fuertemente ajustadas en posici\u00f3n dentro o sobre la muestra para cumplir con la cuarta regla de oro.<\/p>

    Por el contrario, los m\u00e9todos transitorios difieren por completo, ya que abordan la variaci\u00f3n de la distribuci\u00f3n de temperatura en el tiempo. Esto implica una ecuaci\u00f3n del flujo de calor diferencial en donde tanto la variable de tiempo como la de espacio son importantes. Adem\u00e1s, existen muchos modelos para estas t\u00e9cnicas. Cada uno posee un conjunto diferente de condiciones de contorno con una soluci\u00f3n \u00fanica que deriva en una versi\u00f3n adicional de un m\u00e9todo espec\u00edfico. Otra caracter\u00edstica significativa es el modo de tratamiento de la p\u00e9rdida de calor, que se puede considerar insignificante, ya sea por el corto tiempo implicado o por la inclusi\u00f3n de un t\u00e9rmino o constante adicional en la ecuaci\u00f3n, que se puede eliminar posteriormente a trav\u00e9s de una medici\u00f3n adicional bajo diferentes condiciones experimentales. Sin embargo, estos factores ilustran que con diversas opciones de par\u00e1metros no cuantificados disponibles, se genera una fuente de incertidumbre potencial, que afecta los niveles de exactitud.<\/p>

    Normalmente, dichas t\u00e9cnicas determinan la efusividad t\u00e9rmica mediante la que se puede calcular la conductividad t\u00e9rmica, a trav\u00e9s de los valores de densidad y calor espec\u00edfico. Sin embargo, bajo determinadas condiciones experimentales, se puede determinar la conductividad t\u00e9rmica de manera directa, pero no todos los modelos son equivalentes al considerar la precisi\u00f3n y la exactitud. Por ejemplo, los modelos para las t\u00e9cnicas de fuente de l\u00ednea transitoria y fuente plana transitoria son similares y se basan en el flujo de calor sim\u00e9trico uniforme desarrollado en la muestra, pero en la versi\u00f3n modificada de la \u00faltima, el flujo de calor es asim\u00e9trico y se desarrolla en la superficie de la muestra, por lo que no sigue el modelo. En resumen, las t\u00e9cnicas transitorias son relativamente simples en t\u00e9rminos de instrumento y procedimiento. Son r\u00e1pidas para operar y utilizan cantidades relativamente peque\u00f1as y formas de material homog\u00e9neo como muestra. Tal como se mencion\u00f3 en el blog anterior, debido a la necesidad cada vez mayor de contar con datos sobre la propiedad t\u00e9rmica de materiales de todo tipo, se han vuelto populares, en especial con el m\u00e9todo \u2018universal\u2019 disponible en el mercado.<\/p>

    La descripci\u00f3n de Fourier del flujo de calor solo aborda el modo de conducci\u00f3n dominante de la transferencia de calor en materiales isotr\u00f3picos. Un m\u00e9todo de medici\u00f3n ofrece un valor \u00fanico cuantificado de conductancia t\u00e9rmica solo para la muestra de prueba. Suponiendo que la muestra es densa y homog\u00e9nea, y si se introduce la dimensi\u00f3n de longitud en la ecuaci\u00f3n, el valor medido se convierte en\u00a0conductividad t\u00e9rmica<\/em>. As\u00ed, para todos los materiales heterog\u00e9neos y de menor densidad en donde la transferencia de calor incluye los efectos de la convecci\u00f3n y\/<\/strong>o la radiaci\u00f3n, en particular a temperatura elevada, y se hace significativa, ahora se sabe que la propiedad medida es una conductividad t\u00e9rmica aparente o efectiva.<\/em>\u00a0Adem\u00e1s, la convecci\u00f3n se puede dar en materiales porosos de baja densidad al someterlos al uso de grandes diferencias de temperatura con un flujo de calor vertical ascendente.<\/p>

    Tanto la medici\u00f3n de la \u201cconductividad t\u00e9rmica\u201d\u00a0<\/em>como la interpretaci\u00f3n del resultado medido, ahora deben incluir y permitir los efectos que indican que la propiedad solo puede visualizarse como\u00a0material de muestra que depende del medioambiente<\/strong>. En consecuencia, estos l\u00edmites m\u00e1s rigurosos brindan una mayor responsabilidad a quienes trabajan en la comunidad de la medici\u00f3n t\u00e9rmica, en especial, al decidir el mejor m\u00e9todo o el m\u00e1s apropiado para lograr la precisi\u00f3n y exactitud deseadas. Durante todos mis a\u00f1os de experiencia activa como proveedor de informaci\u00f3n, estoy seguro de que el pedido m\u00e1s com\u00fan que me hicieron fue simplemente \u201cmide la conductividad t\u00e9rmica del material Z, a una temperatura fija determinada o sobre la temperatura X e Y\u201d. <\/em>Adem\u00e1s, estoy seguro de que el cliente esperaba una respuesta simple, pero se sorprendi\u00f3 por completo al recibir muchos interrogantes sobre los factores antes mencionados. Este es un gran ejemplo que ilustra las razones de las reglas de oro 6 y 7.<\/p>

    Al examinar un poco m\u00e1s, si se sabe o se considera que el material es un s\u00f3lido homog\u00e9neo relativamente \u201cpuro\u201d, la medici\u00f3n solicitada puede realizarse midiendo los materiales en los primeros dos subgrupos, ya sea a trav\u00e9s de un m\u00e9todo de varilla longitudinal de estado estable o de placa comparativa, o mediante una t\u00e9cnica de fuente plana o de l\u00ednea transitoria. Para el primer caso, la muestra ser\u00e1 de forma definida y de tama\u00f1o relativamente grande. Para los m\u00e9todos transitorios, en general se trata de una placa o un disco de dimensiones relativamente peque\u00f1as. Si se debe determinar la propiedad a lo largo de un rango de temperatura, se deber\u00e1n realizar las mediciones a intervalos regulares y apropiados de temperatura media para todo el rango y con una diferencia de temperatura en la muestra del orden de 10 k a 30 k para el m\u00e9todo de estado estable.<\/p>

    Los niveles de exactitud de cada uno de estos m\u00e9todos se indican en el rango requerido o por encima del mismo y, de ser posible, se deber\u00e1n hacer todos los esfuerzos correspondientes por demostrar que los valores medidos est\u00e1n dentro del nivel aceptable. Esta cuesti\u00f3n puede abordarse a partir de consideraciones te\u00f3ricas. Seg\u00fan la teor\u00eda b\u00e1sica de conducci\u00f3n por fonones en s\u00f3lidos \u2018puros\u2019 por encima de la temperatura de Debye del material, la conductividad t\u00e9rmica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta. Esto puede emplearse si se sabe cu\u00e1l es la temperatura de Debye para el material de la muestra y si hay suficientes puntos de datos para ilustrar dicha relaci\u00f3n. Desafortunadamente, no puede emplearse para una medici\u00f3n a una \u00fanica temperatura o en s\u00f3lidos heterog\u00e9neos.<\/p>

    Sin embargo, para los metales y las aleaciones, la confianza en los valores medidos se ilustra mejor con la ley de Wiedemann-Franz que se basa en la conducci\u00f3n por electrones. La misma establece que el cociente entre el aporte electr\u00f3nico de la conductividad t\u00e9rmica y la conductividad el\u00e9ctrica del metal es proporcional a la temperatura, y adquiri\u00f3 relevancia al demostrar que era una constante, el N\u00famero de Lorenz, L, a todas las temperaturas. La modificaci\u00f3n mediante la inclusi\u00f3n de una constante para el componente del fon\u00f3n (debido a impurezas, contornos de grano, etc.) propuso relaciones para numerosos sistemas de aleaciones basadas en metales, desde el aluminio hasta el circonio, que pueden utilizarse para calcular valores de conductividad t\u00e9rmica a un nivel del 5% para las aleaciones que no involucran cantidades significativas de carbono y silicio. La medici\u00f3n de la resistividad el\u00e9ctrica es simple, y una medici\u00f3n de ambas propiedades brinda una evaluaci\u00f3n interna de la eficacia de la medici\u00f3n cuando L es cercano al valor esperado, lo que justifica plenamente la regla de oro n\u00famero 5.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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    Figura 2.<\/b> Ecuaci\u00f3n de la ley de Wiedemann-Franz<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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    Lo que queda es un gran grupo de materiales y sistemas que incluyen todas las aislaciones t\u00e9rmicas y muchos tipos de s\u00f3lidos porosos, celulares, fibrosos, particulados, en capas, r\u00edgidos, menos homog\u00e9neos y de baja conductividad t\u00e9rmica (0,01 a 10 W\/m.k). Para las aislaciones t\u00e9rmicas, las decisiones sobre el m\u00e9todo de medici\u00f3n se basaron en la experiencia obtenida mediante el uso del medidor de flujo de calor y de placa caliente que cumple con las normas ISO. Se demostr\u00f3 que alcanza una exactitud del 5%. El \u00e1rea representativa de la muestra debe ser de un di\u00e1metro mayor a 10 cm2<\/sup> y 60 cm2<\/sup> para las muestras de hasta 7,5 cm y 15 cm de espesor, respectivamente. Dichos requisitos eliminan o restringen fuertemente el uso de los m\u00e9todos transitorios actuales debido a la peque\u00f1a superficie de la unidad de la sonda.
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    Sin embargo, se pueden emplear los m\u00e9todos de estado estable transitorio y comparativo para los otros s\u00f3lidos porosos, por lo que es importante garantizar que el tama\u00f1o de la muestra sea representativo del material.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Introducci\u00f3n En blogs anteriores, compart\u00ed \u2018algunos\u2019 consejos constructivos acerca de lo que se podr\u00eda describir como \u2018los puntos esenciales o b\u00e1sicos\u2019 de la medici\u00f3n de las propiedades de transporte t\u00e9rmico asociadas con las aplicaciones de los materiales. 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