Conductividad térmica

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

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 k definido como:

k = \frac{\dot{q}}{|\nabla T|}

donde:

\dot{q}, es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de área).
\nabla T, es el gradiente de temperatura.

Contenido

Origen molecular de la conductividad

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 sólo 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

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.

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 poco área de contacto.

1. La colisión con un electrón induce un estado excitado vibratorio en el nitrógeno. Como el nitrógeno es una molécula homonuclear [3] no pierde su energía por la emisión de un fotón y por lo tanto sus niveles de excitación vibratoria son metaestables y tienen un gran periodo de vida.

2. La transferencia de la energía de colisión entre el nitrógeno y el dióxido de carbono induce una excitación vibratoria del dióxido de carbono con la suficiente energía para impulsar la inversión de población deseada para el funcionamiento del láser generando la conductividad térmica.

3. Las moléculas permanecen en un estado excitado inferior. El retorno a su estado fundamental se hace mediante las colisiones con los átomos de helio frío. Los átomos de helio excitado por el choque deben ser enfriado para mantener su capacidad de producir una inversión de población de las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres de ampolla sellada, la refrigeración se realiza por intercambio de calor cuando los átomos de helio rebotan en la pared fría de la ampolla.

La tabla que se muestra a continuación 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. 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 Kcon 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.

Véase también

Referencias

  • Chapman, Alan J.. 3ª. ed. Transmisión del calor. Madrid: BELLISCO. ISBN 84-85.198-42-5. 
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 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
Zinc 106-140 Litio 301,2 Cobre 372,1-385,2
Madera 0,13 Tierra húmeda 0,8 Diamante 2300
Titanio 21,9

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