Física - Magnitudes físicas

 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 sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras adyacentes o a sustancias con las que está en contacto. En el Sistema Internacional de Unidades la conductividad térmica se mide en W/(K·m) (equivalente a J/(m·s·K) )

La conductividad térmica es una magnitud intensiva. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Para un material isótropo la conductividad térmica es un escalar ${\displaystyle \lambda }$ (k en Estados Unidos) definido como:

${\displaystyle \lambda ={\frac {\dot {q}}{|\nabla T|}}}$

donde:

${\displaystyle {\dot {q}}}$, es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de área).

${\displaystyle \nabla T}$, es el gradiente de temperatura.

Una conductividad térmica de 1 vatio por metro y kelvin indica que una cantidad de calor de un julio (J) se propaga a través de un material por conducción térmica:

• en 1 segundo
• por una superficie de 1 m²
• por un grosor de 1 m
• cuando la diferencia de temperatura entre las dos caras es de 1 K.

Cuanto mayor sea su conductividad térmica, un material será mejor conductor del calor. Cuanto menor sea, el material será más aislante. Por ejemplo, el cobre tiene una conductividad de 380 vatios por kelvin y metro, y es más de 10 000 veces mejor conductor del calor que el poliuretano (0,035 vatios por kelvin y metro).

Origen molecular de la conductividad[editar]

Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su nivel de agitación. La conducción de calor, que a nivel macroscópico puede modelizarse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular se debe a la interacción entre las moléculas que intercambian energía cinética sin producir movimientos globales de materia. Por tanto la conducción térmica difiere de la convección térmica en el hecho de que en la primera no existen movimientos macroscópicos de materia, que sí ocurren en el segundo fenómeno. Todas las formas de materia condensada tienen la posibilidad de transferir calor mediante conducción térmica, mientras que la convección térmica en general solo resulta posible en líquidos y gases. De hecho los sólidos transfieren calor básicamente por conducción térmica, mientras que para gradientes de temperatura importante los líquidos y los gases transfieren la mayor parte del calor por convección.^{[cita requerida]}

Conductividades térmicas de los materiales[editar]

La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, es baja en polímeros, y muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por ello 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 bajo.

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. 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 para poder comparar unos elementos con otros. Cuando el elemento no es homogéneo, pero su heterogeneidad se distribuye uniformemente, como por ejemplo, un muro de ladrillo con juntas de mortero, se obtiene en laboratorio un λ útil, media ponderada de los coeficientes de cada material.

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.

La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor.

Conductividades térmicas de diversos materiales en W/(K·m)

Material	λ	Material	λ	Material	λ
Acero	47-58	Corcho	0,03-0,04	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	80,2	Parafina	0,21
Aluminio	237	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
Zinc	106-140	Litio	301,2	Cobre	372,1-385,2
Madera	0,13	Tierra húmeda	0,8	Diamante	2300
Titanio	21,9

En algunos procesos industriales se busca maximizar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad, bien configuraciones con una gran área de contacto, o ambas cosas. Ejemplos de esto son los disipadores y los intercambiadores de calor. En otros casos 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 (ver termo), y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.

Factores que influyen en la conductividad térmica[editar]

Temperatura[editar]

El efecto de la temperatura en la conductividad térmica es diferente para metales y para no metales. En metales la conductividad es primariamente debido a electrones libres. De acuerdo con la ley Wiedemann-Franz la conductividad térmica de los metales es aproximadamente proporcional al producto de la temperatura absoluta expresada en Kelvins, multiplicada por la conductividad eléctrica. En metales puros la resistividad eléctrica frecuentemente se incrementa de manera proporcional a la temperatura, y por tanto la conductividad térmica permanece aproximadamente constante. En aleaciones el cambio de conductividad eléctrica es usualmente menor y por tanto la conductividad térmica se incrementa con la temperatura, frecuentemente de manera proporcional.

Por otro lado, la conductividad en los no metales se debe fundamentalmente a las vibraciones de la red (ver intercambio de fonones). Excepto para cristales de calidad alta a bajas temperaturas, el camino libre medio de un fonón no se reduce de manera significativa para altas temperaturas. Por tanto la conductividad de los no metales es aproximadamente constante. Así la conductividad térmica es baja siempre y cuando la temperatura no sea demasiado baja. A bajas temperaturas por debajo de la temperatura de Debye la conductividad decrece justo como lo hace la capacidad calorífica.

Cambios de fase del material[editar]

Cuando un material sufre cambios de fase de sólido a líquido o de líquido a gas, la conductividad térmica puede cambiar. Un ejemplo de esto sería el cambio en conductividad térmica que ocurre cuando el hielo (conductividad térmica de 2,18 W/(m·K) a 0 °C) se derrite formando agua líquida (conductividad térmica de 0,90 W/(m·K) a 0 °C).

Estructura del material[editar]

Las substancias cristalinas puras pueden exhibir diferentes conductividades térmicas en diferentes direcciones del cristal, debido a diferencias en la dispersión de fonones según diferentes direcciones en la red cristalina. El zafiro es un ejemplo notable de conductividad térmica según la dirección, con una conductividad de 35 W/(m·K) a lo largo del eje-c, y 32 W/(m·K) a lo largo del eje a.¹​

Conductividad eléctrica[editar]

En metales, la conductividad térmica, varía muy a la par con la conductividad eléctrica de acuerdo con la ley de Wiedemann-Franz ya que los electrones de valencia que se mueven libremente transportan no sólo corriente eléctrica sino también energía calórica. Sin embargo, la correlación general entre conductancia eléctrica y térmica no se mantiene para otros materiales, debido a la importancia de la transmisión por fonones en no metales.

Convección[editar]

En sistemas de gases de escape se utilizan recubrimientos cerámicos con baja conductividad térmica para prevenir que el calor alcance componentes sensibles

El aire y otros gases generalmente son buenos aislantes, en la ausencia de convección, por lo tanto, muchos materiales aislantes funcionan simplemente bajo el principio de que un gran número de huecos llenos de gas prevendrán la convección a gran escala. Ejemplos de esto incluyen el poliestireno expandido y extruido (popularmente conocido como "styrofoam") y el aerogel de sílice. Aislantes naturales y biológicos como el pelaje y las plumas alcanzan efectos similares inhibiendo dramáticamente la convección del aire o el agua cerca de la piel del animal.

Los gases ligeros, como el hidrógeno y el helio típicamente tienen alta conductividad térmica. Gases densos como el xenón y el diclorodifluorometano tienen baja conductividad térmica. Una excepción, el hexafluoruro de azufre que se utiliza en interruptores de potencia en subestaciones eléctricas, un gas denso, tiene una conductiviad térmica relativamente alta debido a su capacidad calorífica. El argón, un gas más denso que el aire, muchas veces se usa como aislante de cristales (en ventanas de cristal doble) para mejorar sus características aislantes al igual que en el interior de bombillas eléctricas.

Conductividad Térmica

Objetivos

- Determinar el coeficiente de conductividad térmica para un sólido.

- Comparar el coeficiente de conductividad térmica de dos materiales distintos..

Introducción

La diferencia de temperatura entre distintos puntos de un medio genera procesos de intercambio de calor. Ellos pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En esta experiencia se estudiará el mecanismo de conducción térmica.

La capacidad de conducir calor es una propiedad que depende de la estructura interna de cada sustancia. En el proceso de conducción térmica, la transferencia de calor puede ser interpretada en la escala atómica como un intercambio de energía entre las partículas microscópicas (moléculas, átomos ó electrones libres), en el cual las partículas más energéticas entregan energía a las menos energéticas a través de colisiones.

Es posible determinar la conductividad térmica de una sustancia particular, mediante la medición del tiempo de transferencia de una cantidad de calor conocida que pasa a través de una lámina constituida del material en cuestión. El propósito del experimento aquí propuesto es determinar el coeficiente de conductividad térmica para dos materiales distintos, (figura 1).

Teoría

Si una lámina de material se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferentes temperaturas (fig 2), en estado estacionario la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente proporcional a su espesor (). El flujo de calor () irá desde la región de mayor temperatura () hacia la de menor temperatura (). La ecuación que describe este proceso, es la llamada Ley de Fourier y es mostrada en la figura 2. En esta ecuación la constante de proporcionalidad () se denomina constante de conductividad térmica del material.

En la tabla 1, consignamos algunos valores de la constante de conductividad térmica  para diversas sustancias. En el caso de los gases esta constante fue medida a °C, y en las demás sustancia a temperatura ambiente.

Descripción del Experimento

Para medir la constante de conductividad térmica utilizaremos el aparato mostrado en la figura 3. Este consiste esencialmente en una cámara aislada de aluminio, la cual tiene un orificio cuadrado en el cual se posiciona la lámina del material que se desea medir. Esta cámara se utiliza como foco térmico de alta temperatura (), ya que a través de ella se hace circular vapor de agua. Sobre el material se ubica un trozo cilíndrico de hielo el cual cumple la función de foco térmico de baja temperatura (), y además es utilizado para determinar la cantidad de calor que fluye a través del material. Por lo tanto, midiendo la cantidad de hielo que se funde en un determinado intervalo de tiempo (), podemos conocer la cantidad de calor que fluyó desde el depósito caliente hacia el hielo en ese mismo intervalo de tiempo.

Para llevar a cabo al experimento será necesario medir o determinar las siguientes variables:

• Espesor () de la muestra. Para ello es recomendable utilizar un pie de metro disponible en el laboratorio.

• El área de contacto entre el hielo y la muestra (A). Se determinará a partir de la medida del diámetro del bloque de hielo al inicio y al final de la experiencia, con el propósito de reducir el error cometido al considerar un área de transferencia constante.

• El flujo de calor () se determinará midiendo la masa de hielo derretido en un intervalo de tiempo determinado (). Ello se realizará bajo dos condiciones diferentes. Primero con el foco caliente estando a temperatura ambiente, esto es, sin conectar la manguera con vapor a la cámara. Ello con el propósito de medir cuanto hielo se derrite por el efecto de la entrega de calor desde el ambiente. Luego se realizará la misma medición, pero con el foco caliente, esto es, cuando está conectada la manguera con vapor. Por lo tanto en el último caso la temperatura de la cámara tendrá un valor cercano a la temperatura de ebullición del agua a presión atmosférica.

I. Medición de la conductividad térmica del material

Equipamiento Requerido

- Aparato de Conductividad Térmica PASCO

- 1 calentador eléctrico de 

- Matraz con agua hirviendo

- Manguera

- Cronómetro

- 1 termómetro de mercurio

- 2 vasos precipitados de 

- 1 guante térmico

- Balanza del laboratorio

Precaución! La superficie del calentador puede llegar a temperaturas cercanas a los 350 ºC, por ello debe tener mucha precaución al manipular este calentador. Recuerde utilizar siempre el guante térmico para manipular el matraz cuando esté a una temperatura elevada.