Conductividad Térmica

Los materiales pueden transferir calor habiendo buenos y malos conductores de calor.
Esta capacidad de conducir el calor se puede medir gracias a la conductividad térmica.

Concepto y Definición de Conductividad Térmica

La conductividad térmica (λ) es una de las propiedades físicas de los materiales (materia).

Esta propiedad mide la capacidad que tiene un material de conducir el calor, es decir si es buen o mal conductor del calor.

Si un material tiene una alta conductividad térmica significa que es buen conductor del calor.

Si un  material tiene una baja conductividad térmica significa que es mal conductor del calor, incluso puede llegar a ser un aislante del calor.

En definitiva es la capacidad de un  material de transportar energía térmica en forma de calor.

También se le puede llamar coeficiente de conductividad térmica.

Conductividad Térmica y Temperatura

Debido al hecho de que el movimiento molecular es la base de la conducción del calor, la temperatura a la que se encuentra un material tiene una gran influencia en la conductividad térmica.

Las moléculas se moverán más rápidamente a temperaturas más altas y, por lo tanto, el calor se transferirá a través del material a una velocidad mayor.

Esto significa que la conductividad térmica de la misma muestra de un material puede cambiar drásticamente a medida que la temperatura aumenta o disminuye.

La capacidad de comprender el efecto que la temperatura tiene sobre la conducción térmica es fundamental para garantizar que los productos se comporten como se espera cuando se someten a estrés térmico (cambios de temperatura).

Esto es especialmente importante cuando se trabaja con productos que generan calor, como la electrónica, y se desarrollan materiales de protección contra incendios y el calor.

También cambia con el estado de la materia, es decir, un mismo material puede tener diferente conductividad térmica en estado sólido que en líquido, pero en definitiva es por la temperatura, ya que para pasar de un estado a otro solemos aumentarla o disminuirla.

La conductividad térmica dé gases y líquidos suele ser más pequeño que el de los sólidos.

La Magnitud

Exactamente indica el flujo de calor que atraviesa un material cuyo tamaño es una capa de 1 m² de superficie y de 1 m de espesor con una diferencia de temperatura de 1 Kelvin (K) entre el exterior y el interior del material (los dos extremos del material separados 1m).

Si tomamos como referencia 25ºC (condiciones normales) y para materiales sólidos, la magnitud de la conductividad térmica es un valor fijo (una constante) para cada tipo diferente de material y cada material tiene su valor propio, ya que se mide para la misma cantidad de material y para la misma diferencia de temperaturas.

El hierro solido a 25ºC tiene una conductiva térmica de 80,2 W/mK y siempre es la misma en esas condiciones.

Lo mismo le ocurre el hormigón que tiene la suya, al aluminio, al agua, etc.

Por ejemplo el acero tiene diferentes conductividades incluso a la misma temperatura y en estado sólido, pero es porque depende del tipo de acero.

El acero al ser una aleación de hierro y carbono, puede tener más o menos cantidad de hierro y de carbono, depende la cantidad que se le añade de un tipo de material o de otro su conductividad variará.

Esto ocurre con todos los tipos de aleaciones como el bronce o el latón o por ejemplo con los diamantes que no son todos iguales.

Tabla de Conductividad Térmica de los Materiales

Podemos hacer una tabla con las distintas conductividades térmicas de los materiales y luego utilizarla para hacer cálculos de conducción térmica (del calor) a través de las paredes de un edificio, por ejemplo, de una sartén, etc.

Veamos algunos ejemplos:

Conductividad y Resistencia Térmica

Esta propiedad es básica para poder hacer los cálculos de los balances energéticos, siendo uno de los valores básicos más importantes para los cálculos de aislamiento térmico.

Otra cosa es la resistencia térmica de un determinado trozo de material, que esa si que es variable y depende de la cantidad de material (grosor) y de la cantidad de calor que vaya a pasar a través de el.

En este caso es al revés o lo contrario que la conductividad, ya que si analizamos un material y tiene una alta resistencia térmica, significa que transporta mal el calor, y si su valor es bajo significa que se transmitirá fácilmente a través del material el calor.

Para saber más visita: Resistencia Térmica

¿En Qué se Mide?

La conductividad térmica se mide de la siguiente manera: W/(K.m) (watios por Kelvin y metro), que es equivalente a J/(s.K.m) (Julios por segundos, Kelvin y metro).

La conductividad térmica se representa con la letra griega λ (lamda), sin embargo en Estados Unidos se representa con la letra k.

El aire en reposo, por ejemplo, tiene un coeficiente de conductividad térmica o conductividad térmica de= 0.02 W / mK, y el cobre de = 380 W / mK.

Esto significa que 380 Wh pueden fluir a través de un cubo de cobre con una longitud de borde de 1 m en una hora, si la diferencia de temperatura entre las dos superficies es 1 K, pero si el cubo fuera de aire solo 0.02.

Fórmula de la Conductividad Térmica

La ley de conducción térmica de Fourier, también conocida como ley de conducción térmica, es muy relevante para el cálculo de la transferencia de calor.

Este principio es aplicable para la transferencia de calor entre dos planos isotérmicos.

Establece que:

«la velocidad a la que se transfiere calor a través de un material dado es proporcional al valor negativo del gradiente de temperatura, y también es proporcional al área por la que fluye el calor, pero inversamente proporcional a la distancia entre los dos planos isotérmicos»

De donde se obtiene su fórmula:

Ejemplos de Cálculos

Ejercicio 1)

Calcule la cantidad de transferencia de calor para un material en el que la conductividad térmica es 0.181.

El área de la sección transversal es de 1200 metros cuadrados y un espesor de 2 metros.

La temperatura caliente es de 250 grados C donde la temperatura fría es de 25 grados C.

Solución:

Como se indica en el problema,

Conductividad térmica del material, K = 0,181

Área de sección transversal, A = 1200

Espesor, d = 2 m

Temperatura del lado caliente= 250 grados C

Temperatura del lado frío = 25 grados C

Ahora, aplicando la fórmula,

Por lo tanto, la transferencia de calor será de 24435 vatios.

Vamos hacer otro:

Ejercicio 2)

Calcula la cantidad de transferencia de calor para un material en el que la conductividad térmica es 0.5.

El área de la sección transversal es de 1200 metros cuadrados y un espesor de 0,2 m.

La temperatura caliente es de 58 grados C donde la temperatura fría es de 12 grados C.

Solución: los valores dados son,

Conductividad térmica del material (Watt por mK)

K = 0,5

Área de sección transversal (m2) A = 1200

Espesor (m) d = 0,2 m

Temperatura del lado caliente = 58 grados C

Temperatura del lado frío = 12 grados C

Al aplicar la fórmula anterior, obtendremos Transferencia de calor = 27025 Watt.

Aplicaciones de la Conductividad Térmica

La conductividad térmica de los materiales determina cómo los usamos.

Por ejemplo, aquellos con baja conductividad térmica son excelentes para aislar nuestros hogares y negocios, mientras que los materiales de alta conductividad térmica son ideales para aplicaciones donde el calor debe moverse de manera rápida y eficiente de un sitio a otro, como en utensilios de cocina y sistemas de enfriamiento en dispositivos electrónicos.

Al seleccionar materiales con la conductividad térmica adecuada para la aplicación, podemos lograr el mejor rendimiento posible.

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