Conductividad térmica
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La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto.
Cuando se calienta la materia varía el comportamiento de su estado molecular, incrementándose su movimiento. Es decir, las moléculas salen de su estado de inercia o reposo y adquieren un movimiento cinético provocado por el aumento de temperatura.
Si a un elemento o cuerpo se le incrementa la temperatura por cualquier medio, decimos que la materia se calienta, este calor se desplaza desde la zona más caliente hasta el punto más alejado del foco calórico, variando su temperatura en la distancia de desplazamiento del calor y en el tiempo que transcurre en recorrer desde el punto más caliente hasta el lugar más frío.
La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.
[editar] Conductividades térmicas de los materiales
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.
En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.
| Material | λ | Material | λ | Material | λ |
|---|---|---|---|---|---|
| Acero | 47-58 | Corcho | 0,04-0,30 | Mercurio | 83,7 |
| Agua | 0,58 | Estaño | 64,0 | Mica | 0,35 |
| Aire | 0,02 | Fibra de vidrio | 0,03-0,07 | Níquel | 52,3 |
| Alcohol | 0,16 | Glicerina | 0,29 | Oro | 308,2 |
| Alpaca | 29,1 | Hierro | 1,7 | Parafina | 0,21 |
| Aluminio | 209,3 | Ladrillo | 0,80 | Plata | 406,1-418,7 |
| Amianto | 0,04 | Ladrillo refractario | 0,47-1,05 | Plomo | 35,0 |
| Bronce | 116-186 | Latón | 81-116 | Vidrio | 0,6-1,0 |
| Cinc | 106-140 | Litio | 301,2 | ||
| Cobre | 372,1-385,2 | Madera | 0,13 |
La tabla que se muestra a la derecha de este texto se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. La conductividad térmica se expresa en unidades de W/(m·K) (J/(s · m · °C)).
Es una propiedad intrínseca de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.
Es un mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las moléculas. se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.
[editar] Ley de Fourier y medida de la conductividad
La conducción del calor desde una zona hacia todos los puntos interiores de un sólido y en cualquier dirección, se demuestra que el flujo de calor es proporcional a la variación de temperatura en dicha dirección. Llamando t a la variable tiempo (segundos), S = m2 al elemento de superficie normal al eje X, que es la dirección considerada como referencia, resulta la siguiente expresión (ley de Fourier):
Donde la cantidad de calor absorbida o cedida se denomina: Q = dQ/dt, la unidad de medida para dQ en el sistema SI es el julio [J] y en el sistema técnico es la caloría [cal] o la kilocaloría [kcal]. Por lo tanto, la unidad de medida de Q (calor transferido por unidad de tiempo) es el [W]=[J]/[s].
El coeficiente de conductividad térmica de la materia, K y sus unidades de medidas en el sistema SI será: [W/m.K], siendo W (vatios) la potencia trasmitida, m (metro) la unidad de longitud, K (kelvin) la escala de medición de la temperatura.
El gradiente térmico (Gt) entre planos paralelos con un plano influido por un foco calorífico se calcula de la siguiente manera:
Gt = dT/dx = [ºC/m]
Donde dT = ºT = componente de variación de temperatura y su unidad de medida en el sistema SI serán los kelvin (K) o los grados centígrados (ºC), y dx = X = componente de variación de la longitud y su unidad de medida en el sistema SI será el metro (m).
Quedando la ecuación como:
Q = -K•S•Gt [W ó cal]
Si se despeja el coeficiente de conductividad térmica, tenemos:
K = -(Q/S•Gt), [W/m.K]
El signo negativo del segundo miembro de la ecuación de Fourier, indica que cuando el gradiente de temperatura es positivo (la temperatura disminuye con la distancia), el flujo de calor es hacia fuera del material (negativo) es decir que el material cede calor. Cuando el gradiente de temperatura es negativo (la temperatura aumenta con la distancia) el flujo de calor es hacia adentro (positivo) del material, es decir que el material absorbe calor.
Cada elemento en la naturaleza tiene su propio coeficiente de conductividad térmica.
