Conductividad térmica

En física , la conductividad térmica , o conductividad térmica , es una cantidad física que mide la capacidad de una sustancia para transmitir calor a través de la conducción térmica , cuando las contribuciones a la transferencia de calor por convección y por radiación térmica son despreciables. Depende de la naturaleza del material , pero no de su forma, y ​​vincula la densidad de corriente térmica al gradiente de temperatura que provoca el paso del calor.

Por lo tanto, depende de la temperatura ; además, para algunos materiales aumenta al aumentar la temperatura, para otros disminuye, y puede depender de otros factores físicos como la porosidad, que bloquea los fonones responsables de la conductividad térmica, la inducción magnética y también depende de la presión en el caso de los gaseosos . partículas

No debe confundirse con la difusividad térmica (o "conductividad termométrica") , que en cambio es la relación entre la conductividad térmica y el producto entre la densidad y el calor específico de la sustancia dada, expresada en el Sistema Internacional en m 2 · s - 1 (similar a todas las difusividades) y mide la aptitud de una sustancia para transmitir, no calor, sino un cambio de temperatura. [1]

Definición

La conductividad térmica, generalmente denotada por k T , es un tensor de segundo orden , que se puede representar en una referencia dada con una matriz cuadrada , y se define a través de la ley de Fourier como:

Dónde está:

En condiciones estacionarias , los dos vectores son paralelos, por lo que la conductividad térmica es una cantidad escalar generalmente indicada con λ , lo que corresponde a decir que la conductividad térmica es una constante de proporcionalidad igual a la relación entre el flujo de calor , es decir, la cantidad de calor transferido en la unidad de tiempo a través de la unidad de superficie y el gradiente de temperatura. [2]

La conductividad térmica se puede estimar gráficamente a medida que varían la temperatura reducida y la presión reducida , usando un diagrama generalizado . [3]

Unidad de medida

En las unidades del Sistema Internacional, la conductividad térmica se mide en W m −1 K −1 ( vatio por metro-kelvin ), siendo el vatio la unidad de medida de potencia , el metro la unidad de medida de longitud y el kelvin la unidad de medida de la temperatura En el sistema práctico de los ingenieros , sin embargo, se mide en kcal · h −1 · m −1 · ° C −1 ( kilocalorías por hora-metro-grado Celsius ).

Conductividad térmica de algunas sustancias

La conductividad afecta la capacidad de un material para conducir el calor o actuar como aislante, es decir, cuanto mayor sea el valor de λ o k T , menos aislante será el material. Generalmente, la conductividad térmica va de la mano con la conductividad eléctrica ; por ejemplo los metales tienen valores altos de ambos. Una excepción notable es el diamante , que tiene una alta conductividad térmica, pero una baja conductividad eléctrica.

Conductividad térmica y densidad de algunas sustancias .
Sustancia λ [W metro −1 K −1 ] ρ [kg / m 3 ]
diamante 1600 3500 - 3600
plata 460 10490
cobre 390 8930
oro 320 19250
aluminio laminado 290 2750
latón 111 8430 - 8730
planchar 80.2 7874
platino 70 21400
acero laminado 52 7850
Plomo 35 11300
acero inoxidable 17 7480 - 8000
cuarzo 8 2500 - 2800
hielo (agua a 0°) 2,20 - 2,50 917
vidrio laminado 1 2500
ladrillos (ladrillos macizos, huecos) 0.90 2000
ladrillos (ladrillos macizos, huecos) 0.72 1800
nieve (compacta, capas de 20 a 40 cm) 0.70
agua destilada 0,60 1000
ladrillos (ladrillos macizos, huecos) 0.43 1200
ladrillos (ladrillos macizos, huecos) 0.25 600
etilenglicol 0.25 1110
nieve (moderadamente compacta, capas de 7 a 10 cm) 0.23
polipropileno 0.22 920
paneles de yeso 0.21 900
plexiglás 0.19 1180
papel y cartón 0,18 (0,14 - 0,23) 700 - 1150
madera de roble seca ortogonal a las fibras 0.18 750
hidrógeno 0.172
madera seca paralela a las fibras 0,15 - 0,27 400 - 750
aceite mineral 0.15 900 - 930
nieve (blanda, capas de 3 a 7 cm) 0.12
madera de abeto y pino seco ortogonal a las fibras 0,10 - 0,12 400
vermiculita expandida 0.07 90
cartón ondulado (onda simple, 280 g/m 2 , espesor 2,8 mm) 0.065 100
nieve (recién caída y en capas de hasta 3 cm) 0.060
caña (o arelle) 0.055 190
virutas de madera 0.050 100
corcho 0.052 200
gránulos de corcho 0.050 100
vidrio celular (120) 0.041 120
lana de oveja 0.040 25
poliestireno extruido (XPS) en láminas 0.040 20 - 30
poliestireno expandido sinterizado (EPS) en láminas 0.035 20 - 30
poliuretano expandido 0,024 - 0,032 25 - 50
aire seco (a 300 K, 100 kPa) en reposo 0.026 1.2
aerogel de sílice

(en gránulos de tamaño medio 0,5 - 4,0 mm)

0.018 1.9
micronal - cápsulas termoaislantes de cambio de fase

(paneles de cera encapsulada)

0.018 770
aerogel de sílice

(en paneles de vacío a1,7 × 10 −5 atmósferas)

0.013

Un estudio de 2022 muestra que el arseniuro de boro cúbico tiene la tercera mejor conductividad térmica después del diamante y el nitruro de boro cúbico, diez veces mayor que la del silicio . [4]

Notas

  1. ^ Comparar con la ecuación de propagación del calor o, más generalmente, con la ecuación de difusión
  2. ^ Libro de oro de la IUPAC , " conductividad térmica"
  3. ^ Existen otros diagramas generalizados , por ejemplo para la estimación del factor de compresibilidad . El diagrama generalizado encuentra razón de ser a partir del teorema de los estados correspondientes .
  4. ^ El mejor semiconductor jamás descubierto. Un investigador chino acusado de espionaje por parte de EE. UU. contribuyó a la investigación , en dday.it , 17 de agosto de 2022 ( archivado el 20 de agosto de 2022) .

Bibliografía

Artículos relacionados

Enlaces externos