{"id":2171,"date":"2021-05-06T16:32:39","date_gmt":"2021-05-06T19:32:39","guid":{"rendered":"https:\/\/thermtest.com\/latinamerica\/?p=2171"},"modified":"2024-10-17T17:51:05","modified_gmt":"2024-10-17T17:51:05","slug":"el-ultimo-vino-de-verano","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/thermtest.com\/latinamerica\/el-ultimo-vino-de-verano","title":{"rendered":"El \u00faltimo vino de verano"},"content":{"rendered":"\t\t
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Introducci\u00f3n<\/h2>

Han pasado unas siete d\u00e9cadas desde mi primer encuentro con el tema de la transferencia de calor y el t\u00e9rmino conductividad t\u00e9rmica<\/em>. Durante este tiempo, en el contexto de los materiales, el tema se ha vuelto cada vez m\u00e1s complejo debido a la influencia agregada del efecto de la radiaci\u00f3n y la convecci\u00f3n, y el incremento en el uso de las aplicaciones. En consecuencia, el t\u00e9rmino original y frecuentemente descripto como simple se ha vuelto cada vez m\u00e1s complejo, en especial en lo que respecta al importante rol que desempe\u00f1a la medici\u00f3n de las propiedades t\u00e9rmicas.<\/p>

Fue tal la magnitud de todos estos cambios, impulsados por el aumento en el inter\u00e9s por desarrollar un mayor uso, particularmente de t\u00e9cnicas transitorias, que el principal enfoque en las mediciones de todo tipo de materiales pas\u00f3 gradualmente de considerar el uso del estado estable a considerar las metodolog\u00edas transitorias.<\/p>

Nos vemos en la necesidad de cuestionar c\u00f3mo<\/em> y por qu\u00e9<\/em>.<\/p>

Desafortunadamente, en el mundo real, el tema de las propiedades de transferencia de calor que involucran un material <\/em>y sus aplicaciones<\/strong> muestran que la Madre Tierra, una vez m\u00e1s, nos ha jugado una mala pasada. Se nos proporciona algo que tiene un nombre descriptivo y simple pero que puede existir en muchos tipos y formas diferentes y variadas. Algunas de estas est\u00e1n sujetas a cambios en las condiciones de contorno, de modo que es dif\u00edcil definir algo que se ajuste al ideal te\u00f3rico al momento de desarrollar los modelos e instrumentos apropiados y requeridos para proporcionar un valor de propiedad.<\/p>

Por ejemplo, un \u201cmaterial\u201d puede variar desde un s\u00f3lido isotr\u00f3pico ideal, denso, puro y homog\u00e9neo (un conductor) hasta compuestos anisotr\u00f3picos de formas s\u00f3lidas y de menor densidad de sistemas de part\u00edculas heterog\u00e9neas, sistemas fibrosos y celulares combinados con un gas, es decir, aislaci\u00f3n t\u00e9rmica (resistor). Como consecuencia, el rango de conductividad t\u00e9rmica es de seis a siete \u00f3rdenes de magnitud (0,001 a 1000+ W\/(m.k), seg\u00fan el efecto de un entorno de vac\u00edo. Adem\u00e1s, debido a los avances tecnol\u00f3gicos, el rango de temperatura de aplicaci\u00f3n es ahora de unos cuatro \u00f3rdenes de magnitud entre las temperaturas criog\u00e9nicas y las consideradas altas.<\/p>

Tanto la medici\u00f3n de la conductividad t\u00e9rmica como la interpretaci\u00f3n del resultado medido ahora deben incluir y permitir tales efectos que indiquen que la propiedad solo puede verse como una muestra<\/strong>, es decir, dependiente del material<\/strong>. En consecuencia, estos l\u00edmites m\u00e1s amplios pero rigurosos ahora han atribuido responsabilidades adicionales a quienes trabajan en la comunidad de las mediciones t\u00e9rmicas, especialmente en la selecci\u00f3n del mejor m\u00e9todo o el m\u00e1s apropiado que se utilizar\u00e1 para lograr la precisi\u00f3n y exactitud deseadas.<\/p>

En los blogs anteriores describ\u00ed c\u00f3mo la tecnolog\u00eda de medici\u00f3n ha cambiado significativamente mediante un proceso de renacimiento debido a la mayor necesidad de contar con datos confiables sobre el aumento cada vez mayor de materiales nuevos y mejorados y sus aplicaciones. Cuando sea posible, los m\u00e9todos de prueba de preferencia deber\u00edan requerir muestras m\u00e1s peque\u00f1as, ser m\u00e1s simples en concepto y m\u00e1s r\u00e1pidos en su operaci\u00f3n.<\/p>

Algunas de estas necesidades urgentes se abordaron parcialmente en los a\u00f1os sesenta con el surgimiento de dos \u201ccambios de paradigma\u201d en la tecnolog\u00eda de medici\u00f3n. El primero es la t\u00e9cnica transitoria del m\u00e9todo \u201cflash\u201d para su uso en medios semi-infinitos, es decir, s\u00f3lidos densos, y el segundo fue el m\u00e9todo de estado estable del medidor de flujo de calor para medir la conductancia\/resistencia t\u00e9rmica de los productos de aislaci\u00f3n t\u00e9rmica.<\/p>

El primero demostr\u00f3 ser ideal para mediciones r\u00e1pidas de difusividad t\u00e9rmica de precisi\u00f3n aceptable a altas temperaturas, de las que se pod\u00eda calcular la conductividad t\u00e9rmica al proporcionar valores precisos de calor y densidad espec\u00edficos. La muestra para la prueba era un peque\u00f1o disco plano de 15 a 25 mm de di\u00e1metro y menos de 10 mm de espesor y tiempos de medici\u00f3n de decenas de segundos.<\/p>

El \u00faltimo proporcionaba los medios para lograr buenos niveles de exactitud repetibles en un rango de temperatura limitado, pero depend\u00eda de la disponibilidad de uno o m\u00e1s materiales de referencia que eran esenciales para la calibraci\u00f3n del instrumento. Como se utiliza solo para productos heterog\u00e9neos de aislaci\u00f3n t\u00e9rmica, la muestra de prueba debe ser representativa del producto, lo que hace que tanto el instrumento como el tama\u00f1o de la muestra dependan del producto. Por lo tanto, los tama\u00f1os de muestra t\u00edpicos ahora son del orden de 300 a 1000 mm de di\u00e1metro y un espesor de hasta 150 mm con tiempos de medici\u00f3n en decenas de minutos.<\/p>

Al comprender el modo de conducci\u00f3n de la transferencia de energ\u00eda en los materiales, incluidos los que est\u00e1n en contacto, somos conscientes de los diversos tipos de ecuaci\u00f3n b\u00e1sica de transferencia de calor para proporcionar modelos que aborden aplicaciones y problemas de transferencia de calor de manera te\u00f3rica. Este enfoque considera el tema en t\u00e9rminos de cuerpos isotr\u00f3picos homog\u00e9neos semi-infinitos, es decir, s\u00f3lidos densos y el contacto dentro o entre s\u00f3lidos como algo perfecto, un flujo de calor uniforme y un gradiente de temperatura entre posiciones fijas.<\/p>

La teor\u00eda b\u00e1sica de la descripci\u00f3n de Fourier del flujo de calor aborda el modo de conducci\u00f3n dominante de la transferencia de calor en t\u00e9rminos de materiales que se encuentran en forma isotr\u00f3pica s\u00f3lida, pero no incluye los efectos, en particular de la radiaci\u00f3n, donde la influencia de las p\u00e9rdidas o ganancias de calor en una medici\u00f3n son proporcionales a la tercera potencia de la temperatura absoluta<\/em>. Adem\u00e1s, la convecci\u00f3n puede ocurrir particularmente en el uso de algunos de estos \u00faltimos materiales de baja densidad, donde surgen grandes diferencias de temperatura y de peque\u00f1o espesor.<\/p>

Hist\u00f3ricamente, las mediciones de conductividad t\u00e9rmica que utilizan m\u00e9todos de estado estable comenzaron, y han continuado, con el desarrollo y el uso de instrumentos dise\u00f1ados para representar modelos basados en un flujo de calor longitudinal y radial para dos configuraciones geom\u00e9tricas distintivas y diferentes. Estos consist\u00edan en una varilla larga, por ejemplo, la \u201cBarra de Searle\u201d, que representaba un buen conductor, como un metal o cer\u00e1mica de alta densidad; o una placa corta y gruesa como el \u201cDisco de Lee\u201d, que era un conductor deficiente, que inclu\u00eda aislaci\u00f3n t\u00e9rmica.<\/p>

En este sentido, las mejoras en formas basadas en lo que puede considerarse como \u201cmuestras relativamente grandes\u201d en estas configuraciones b\u00e1sicas, se han convertido en la varilla longitudinal, la pila radial o cil\u00edndrica, la placa caliente protegida, el medidor de flujo de calor y otras formas comparativas de m\u00e9todos que se utilizan actualmente para las mediciones. Aunque son diferentes, todos requieren una medici\u00f3n precisa de las dimensiones, un flujo de calor uniforme estrictamente controlado, ya sea asumiendo que no hay p\u00e9rdida o ganancia externa de calor, o corrigi\u00e9ndolas en caso de que seas m\u00ednimas, ni diferencia de temperatura entre posiciones fijas. En general, se pueden obtener altos niveles de exactitud superiores a +\/- 3-5% en un amplio rango de temperatura. Desafortunadamente, debido al tama\u00f1o del instrumento, estas mediciones insumen mucho tiempo en el rango de decenas de minutos a varias horas.<\/p>

En realidad, debe dejarse en claro que estos m\u00e9todos proporcionan valores \u00fanicos de la conductancia\/resistencia t\u00e9rmica<\/em><\/strong> de las muestras reales que pueden, o solo deben, denominarse conductividad t\u00e9rmica<\/em><\/strong> si se conocen otros modos de energ\u00eda para el material, o se consideran ausentes. Esto resulta especialmente importante en el tema de la aislaci\u00f3n t\u00e9rmica, donde la radiaci\u00f3n es un factor significativo, de modo que existe una aceptaci\u00f3n generalizada de que el valor medido es una conductividad t\u00e9rmica aparente o efectiva<\/em><\/strong>.<\/p>

Para la difusividad t\u00e9rmica, la propiedad directa y asociada, a trav\u00e9s de la relaci\u00f3n entre conductividad t\u00e9rmica, calor espec\u00edfico y densidad, la medici\u00f3n involucra una distribuci\u00f3n de temperatura que var\u00eda con el tiempo y requiere una ecuaci\u00f3n diferencial distinta. Como resultado, se han desarrollado muchos modelos individuales, dependiendo de la elecci\u00f3n de las condiciones de contorno y de los supuestos respecto de los modos de adaptarse a los efectos de las p\u00e9rdidas de calor. En algunos modelos, este \u00faltimo factor a menudo se excluye debido a los cortos per\u00edodos involucrados.<\/p>

Existen dos m\u00e9todos b\u00e1sicos de tecnolog\u00eda de medici\u00f3n. Estos son la temperatura peri\u00f3dica y la temperatura transitoria de contacto y sin contacto, que se manifestaron originalmente en la \u201cvarilla de Angstrom\u201d y la t\u00e9cnica de contacto de alambre caliente. M\u00e1s recientemente, siguieron los m\u00e9todos de aceler\u00f3metro flash<\/em> sin contacto y 3\u03c9. Las diferencias inmediatas son que no parecen requerir una forma o cantidad fija de muestra y las \u00fanicas medidas necesarias son temperatura y tiempo. La ventaja adicional es que son r\u00e1pidos en t\u00e9rminos de reducir los tiempos de medici\u00f3n de decenas de minutos a decenas de segundos y menos.<\/p>

En las \u00faltimas dos d\u00e9cadas se ha prestado especial atenci\u00f3n al desarrollo de modelos para versiones mejoradas de la t\u00e9cnica original de alambre caliente<\/em> simple o paralelo. Este m\u00e9todo original consist\u00eda en introducir un sensor de medici\u00f3n de temperatura\/calentador de alambre o de hoja simple o doble en una muestra, aplicar un pulso de calor sim\u00e9trico<\/em> uniforme y analizar la respuesta de temperatura que contiene una porci\u00f3n limitada de \u201cper\u00edodo de tiempo lineal\u201d que depende de la conductividad t\u00e9rmica de la muestra.<\/p>

La primera modificaci\u00f3n desarrollada como producto comercial para aislaciones t\u00e9rmicas fue una versi\u00f3n de la t\u00e9cnica de alambre caliente pero con una sonda y aguja, y luego se utiliz\u00f3 una versi\u00f3n de mayor tama\u00f1o especialmente para la comparaci\u00f3n de mediciones de campo en suelos, rocas y minerales terrestres. Sin embargo, la primera fue descartada debido al efecto de las diferencias del marcado sesgo positivo en los valores entre las mediciones efectuadas con la sonda y las que utilizaban m\u00e9todos absolutos de placa. Un factor significativo aqu\u00ed fue la consideraci\u00f3n de los efectos de la anisotrop\u00eda que existe en muchos materiales celulares, fibrosos y porosos con aislaci\u00f3n t\u00e9rmica que son, en efecto, sistemas de s\u00f3lidos y gases.<\/p>

Como se mencion\u00f3 anteriormente, numerosos modelos y procedimientos te\u00f3ricos que contienen diversos supuestos adicionales asociados a minimizar los efectos de las p\u00e9rdidas de calor y los problemas de resistencia de contacto, adem\u00e1s de los avances en la instrumentaci\u00f3n de la medici\u00f3n de tiempo y temperatura, han dado como resultado nuevas formas o modificaciones del m\u00e9todo. B\u00e1sicamente, la principal diferencia es el cambio del sensor de medici\u00f3n de temperatura\/calentador que, en lugar de ser un alambre simple o doble, emplea una unidad de l\u00e1mina bifilar aislada, plana y delgada. Fuente de plano de un \u00e1rea equivalente igual o inferior a 50 mm de di\u00e1metro.<\/em><\/strong><\/p>

Esta se inserta bajo presi\u00f3n entre dos piezas id\u00e9nticas del material de prueba. As\u00ed surgi\u00f3 la instrumentaci\u00f3n descripta como plano transitorio, puente transitorio, fuente de esfera transitoria.<\/em> Cada uno incorpora un an\u00e1lisis espec\u00edfico del tiempo de respuesta de la temperatura a partir del cual se pueden determinar los valores de una o m\u00e1s de las propiedades de conductividad t\u00e9rmica, difusividad t\u00e9rmica y calor espec\u00edfico. Se afirma<\/strong> que estos m\u00e9todos que utilizan muestras relativamente peque\u00f1as, ciertamente mucho menores que las requeridas para las mediciones de estado estable, son aptos para medir TODOS<\/strong> los tipos de materiales en el rango de 0,01 a 1000 W\/(mk)<\/strong> con los mismos o mejores l\u00edmites de precisi\u00f3n que se obtienen a trav\u00e9s de los m\u00e9todos de estado estable.<\/p>

Como resultado, las versiones comerciales de estos m\u00e9todos diferentes pero similares se han vuelto populares, ya que parecen ser ideales para abordar los requisitos b\u00e1sicos de simplicidad, muestras peque\u00f1as y velocidad. Adem\u00e1s, se han convertido en una versi\u00f3n totalmente automatizada de un sistema \u201cuniversal<\/em><\/strong>\u201d que, lamentablemente, no aborda los problemas de tipo, forma y tama\u00f1o de la muestra que se requieren especialmente para valores muy bajos de conductividad t\u00e9rmica aparente.<\/p>

Adem\u00e1s, existe otra versi\u00f3n bastante diferente pero com\u00fanmente utilizada y descripta como forma modificada de la fuente de plano transitorio<\/em>. Esto es totalmente diferente dado que la unidad bifilar no aislada se fija a una sonda que luego se coloca bajo presi\u00f3n sobre la superficie de una muestra. Sin embargo, en tales condiciones, el pulso de calor desarrollar\u00e1 ahora un flujo de calor asim\u00e9trico<\/em><\/strong> en la muestra debido a la p\u00e9rdida de calor indeterminada de la superficie posterior no aislada de la sonda. Adem\u00e1s, la condici\u00f3n de la superficie de la muestra, la emitancia y las condiciones ambientales afectar\u00e1n las mediciones.<\/p>

Pr\u00e1cticamente, debido a los diferentes niveles de exactitud en las mediciones de temperatura y tiempo en comparaci\u00f3n con los m\u00e9todos de flujo de calor, los valores medidos de difusividad t\u00e9rmica deber\u00edan ser m\u00e1s precisos que los de conductividad t\u00e9rmica. Sin embargo, para calcular este \u00faltimo a partir del primero se requieren valores muy precisos tanto del calor espec\u00edfico como de la densidad. Por lo tanto, la conductividad t\u00e9rmica deseada, m\u00e1s \u00fatil y f\u00edsicamente interesante, respalda la necesidad principal de concentrarse en la obtenci\u00f3n de valores de conductividad t\u00e9rmica de la m\u00e1s alta precisi\u00f3n requerida para la aplicaci\u00f3n.<\/p>

En el cap\u00edtulo completo sobre Difusividad T\u00e9rmica y otros M\u00e9todos de Estado No Estable en la Conductividad T\u00e9rmica<\/em>, en su publicaci\u00f3n mencionada anteriormente, \u201cThermal Conductivity, Vol. II\u201d (1969),<\/strong> cap\u00edtulo 3, Danielson y Sidles hicieron el siguiente pron\u00f3stico en forma de conclusi\u00f3n: \u201cPor esta raz\u00f3n, se puede anticipar un desarrollo r\u00e1pido y continuo de m\u00e9todos de estado no estable para medir las propiedades t\u00e9rmicas<\/em>\u201d<\/strong>. Esto, en total, creo que proporciona una respuesta m\u00e1s que adecuada para la cuesti\u00f3n del dominio actual de la metodolog\u00eda transitoria.<\/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":"

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