Conductividad térmica
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¿Qué es la conductividad térmica?
La conductividad térmica se refiere a la capacidad de un material dado para conducir / transferir calor. Generalmente se denota con el símbolo 'k' pero también se puede denotar con 'λ' y 'κ'. El recíproco de esta cantidad se conoce como resistividad térmica. Los materiales con alta conductividad térmica se utilizan en disipadores de calor, mientras que los materiales con valores bajos de λ se utilizan como aislantes térmicos.
La conductividad térmica se refiere a la capacidad de un material dado para conducir / transferir calor. Generalmente se denota con el símbolo 'k' pero también se puede denotar con 'λ' y 'κ'. El recíproco de esta cantidad se conoce como resistividad térmica. Los materiales con alta conductividad térmica se utilizan en disipadores de calor, mientras que los materiales con valores bajos de λ se utilizan como aislantes térmicos.La ley de Fourier de conducción térmica (también conocida como ley de conducción de calor) establece que la velocidad a la que se transfiere calor a través de un material es proporcional al negativo del gradiente de temperatura y también es proporcional al área a través de la cual fluye el calor. La forma diferencial de esta ley se puede expresar mediante la siguiente ecuación:
q = -k.∇T
Donde ∇T se refiere al gradiente de temperatura, q denota el flujo térmico o flujo de calor, yk se refiere a la conductividad térmica del material en cuestión.
A continuación se proporciona una ilustración que describe la conductividad térmica de un material en términos del flujo de calor a través de él. En este ejemplo, la temperatura 1 es mayor que la temperatura 2 . Por tanto, la conductividad térmica se puede obtener mediante la siguiente ecuación:
Flujo de calor = -k * (Temperatura 2 - Temperatura 1 ) / Espesor
Fórmula
Cada sustancia tiene su propia capacidad para conducir calor. La conductividad térmica de un material se describe mediante la siguiente fórmula:
K = (QL) / (AΔT)
Dónde,
- K es la conductividad térmica en W / mK
- Q es la cantidad de calor transferido a través del material en julios / segundo o vatios
- L es la distancia entre los dos planos isotérmicos
- A es el área de la superficie en metros cuadrados
- ΔT es la diferencia de temperatura en Kelvin
Medición
Existen varios métodos para medir las conductividades térmicas de los materiales. Estos métodos se clasifican en general en dos tipos de técnicas: técnicas transitorias y de estado estable.
- La conductividad térmica se expresa en términos de las siguientes dimensiones: temperatura, longitud, masa y tiempo.
- La unidad SI de esta cantidad es vatios por metro-Kelvin o Wm -1 K -1 .
- Generalmente se expresa en términos de potencia / (longitud * temperatura).
- Estas unidades describen la tasa de conducción de calor a través de un material de espesor unitario y para cada Kelvin de diferencia de temperatura.
Técnicas de estado estacionario
- Estos métodos implican mediciones en las que la temperatura del material en cuestión no cambia durante un período de tiempo.
- Una ventaja de estas técnicas es que el análisis es relativamente sencillo ya que la temperatura es constante.
- Una desventaja importante de las técnicas de estado estable es que generalmente requieren una configuración muy bien diseñada para realizar los experimentos.
- Ejemplos de estas técnicas son el método de barra de Searle para medir la conductividad térmica de un buen conductor y el método de disco de Lee.
Técnicas transitorias
- En estos métodos, las medidas se toman durante el proceso de calentamiento.
- Una ventaja importante de estos métodos es que las mediciones se pueden tomar con relativa rapidez.
- Una de las desventajas de las técnicas transitorias es la dificultad de analizar matemáticamente los datos de las mediciones.
- Algunos ejemplos de estas técnicas incluyen el método de fuente de plano transitorio, el método de fuente de línea transitoria y el método de flash láser.
Por tanto, existen varios métodos para medir la conductividad térmica de los materiales, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Es importante señalar que es más fácil estudiar experimentalmente las propiedades térmicas de los sólidos en comparación con los fluidos.
Efecto de la temperatura sobre la conductividad térmica
La temperatura afecta las conductividades térmicas de metales y no metales de manera diferente.
- La conductividad térmica de los metales se atribuye a la presencia de electrones libres. Es algo proporcional al producto de la temperatura absoluta y la conductividad eléctrica, según la ley de Wiedemann-Franz .
- Con un aumento de temperatura, la conductividad eléctrica de un metal puro disminuye.
- Esto implica que la conductividad térmica del metal puro muestra poca variación con un aumento de temperatura. Sin embargo, se observa una fuerte disminución cuando las temperaturas se acercan a 0K.
- Las aleaciones de metales no muestran cambios significativos en la conductividad eléctrica cuando aumenta la temperatura, lo que implica que sus conductividades térmicas aumentan con el aumento de temperatura.
- El valor máximo de conductividad térmica en muchos metales puros se puede encontrar a temperaturas que oscilan entre 2K y 10K.
No metales
- Las conductividades térmicas de los no metales se atribuyen principalmente a las vibraciones de la red.
- El camino libre medio de los fonones no se reduce significativamente cuando las temperaturas son altas, lo que implica que la conductividad térmica de los no metales no muestra cambios significativos a temperaturas más altas.
- Cuando la temperatura se reduce a un punto por debajo de la temperatura de Debye, la conductividad térmica de un no metal disminuye junto con su capacidad calorífica.
Otros factores que afectan la conductividad térmica
La temperatura no es el único factor que provoca una variación en la conductividad térmica de un material. Algunos otros factores importantes que influyen en la conductividad térmica de las sustancias se enumeran a continuación.