Tabla de contenido
Definición de conductividad térmica Fórmula de conductividad térmica Medición de conductividad térmica Efecto de la temperatura en la conductividad térmica Conductividad térmica
¿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 “k”. El recíproco de esta cantidad se conoce como resistividad térmica. Los materiales con alta conductividad térmica se usan en disipadores de calor, mientras que los materiales con valores bajos de λ se usan como aislantes térmicos.
La ley de Fourier de la conducción térmica (también conocida como la ley de la conducción del calor) establece que la velocidad a la que se transfiere el calor a través de un material es proporcional al negativo del gradiente de temperatura y también es proporcional a El área a través de la cual fluye el calor. La forma diferencial de esta ley se puede expresar a través de 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.
Una ilustración que describe la conductividad térmica de un material en términos del flujo de calor a través de él se proporciona anteriormente. En este ejemplo, la temperatura 1 es mayor que la temperatura 2 . Por lo 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 / m.K
- 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 estacionario.
Unidad SI
- 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 velocidad de conducción del calor a través de un material de espesor unitario y por 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 estacionario 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 mediciones se toman durante el proceso de calentamiento.
- Una ventaja importante de estos métodos es que las mediciones pueden tomarse relativamente rápido.
- 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 lo tanto, existen varios métodos para medir la conductividad térmica de los materiales, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Es importante tener en cuenta 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 una manera diferente.
Metales
- 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 la temperatura, disminuye la conductividad eléctrica de un metal puro.
- Esto implica que la conductividad térmica del metal puro muestra poca variación con un aumento de la 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 la 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.
- La ruta libre media 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 disminuye 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 causa una variación en la conductividad térmica de un material. A continuación se tabulan algunos otros factores importantes que influyen en la conductividad térmica de las sustancias.
| Factor | Efecto sobre la conductividad térmica |
| La fase química del material | Cuando cambia la fase de un material, puede surgir un cambio brusco en su conductividad térmica. Por ejemplo, la conductividad térmica del hielo cambia de 2.18 Wm -1 K -1 a 0.56 Wm -1 K -1 cuando se funde en una fase líquida |
| Anisotropía térmica | Las diferencias en el acoplamiento de fonones a lo largo de un eje de cristal específico hace que algunas sustancias exhiban diferentes valores de conductividad térmica a lo largo de diferentes ejes de cristal. La presencia de anisotropía térmica implica que la dirección en la que fluye el calor puede no ser la misma que la dirección de los gradientes de temperatura. |
| La conductividad eléctrica del material | La ley de Wiedemann-Franz que establece una relación entre la conductividad eléctrica y la conductividad térmica solo es aplicable a los metales. La conductividad térmica de los no metales no se ve afectada por sus conductividades eléctricas. |
| Influencia de los campos magnéticos | El cambio en la conductividad térmica de un conductor cuando se coloca en un campo magnético se describe por el efecto Maggi-Righi-Leduc. El desarrollo de un gradiente de temperatura ortogonal se observa cuando se aplican campos magnéticos. |
| Pureza isotópica del cristal | El efecto de la pureza isotópica sobre la conductividad térmica se puede observar en el siguiente ejemplo: la conductividad térmica del diamante tipo IIa (concentración de 98.9% de carbono-isótopo 12) es 10000 Wm -1 K [19459028 ] -1 mientras que el 99.9% de diamante enriquecido es 41,000 Wm -1 K -1 |
Por lo tanto, la definición, la unidad SI y la medición de la conductividad térmica se discuten brevemente en este artículo junto con los efectos de algunos factores. Para obtener más información sobre este concepto y otros conceptos importantes relacionados con la conductancia, como conductancia electrolítica , regístrese en BYJU’S y descargue la aplicación móvil en su teléfono inteligente.