Inercia Termica

Los materiales y sus características térmicas

La decisión de usar unos materiales u otros puede tener un gran impacto en el desempeño térmico y energético de los edificios. No todos los materiales son iguales, y no todos los materiales tienen el mismo comportamiento ante diferentes condiciones ambientales. Por otro lado algunos materiales tienen cualidades que, si se aprovechan, pueden ayudar a resolver las exigencias climáticas a las que se ven sometidos los edificios.

Podemos afirmar que conocer con cierto detalle las características térmicas de los materiales empleados en la edificación resulta indispensable para tomar decisiones de diseño adecuadas. En los siguientes artículos estudiaremos algunas de esas características, incluyendo las propiedades térmicas básicas (densidad, conductividad, resistencia, valor R, calor específico, calor específico volumétrico, capacidad térmica...), las propiedades superficiales (absortividad, emisividad, reflectividad...), así como los conceptos de aislamiento y masa térmica.

En esta categoría encontrarás los siguientes artículos (también puedes acceder a ellos mediante el menú correspondiente a la derecha):

Características térmicas básicas

En este tópico se describen las principales características térmicas de los materiales, haciendo énfasis en aquellos que se emplean de manera regular en la construcción. Al final podrás encontrar una tabla con algunos valores relacionados con estos parámetros.

Densidad

Si bien la densidad no es una propiedad térmica en sí misma, se trata de una característica que afecta de manera significativa el desempeño térmico de los materiales. La densidad, o masa específica de un material, es el cociente que resulta de dividir la cantidad de masa (kg) de dicho material por su volumen unitario (m3). Así, la densidad que caracteriza al material se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m3).

Los materiales empleados en la edificación presentan un amplio rango de densidades. Algunos productos aislantes apenas alcanzan una densidad de 10 kg/m3, mientras que los más pesados, como el cobre, alcanzan densidades cercanas a los 8,900 kg/m3.

Conductividad y resistividad

La conductividad (k) y la resistividad son propiedades simples de los materiales. La conductividad se refiere a la capacidad de un material para conducir calor a través de su estructura interna y se expresa en Watts por metro grado Celsius (W/m°C). Otra unidad, aunque de uso cada vez menos frecuente, es la kilocaloría por hora metro grado Celsius (Kcal/mhr°C). La equivalencia entre ambas unidades es:

1 Kcal/mhr°C = 1.163 W/m°C

En algunos estudios la conductividad térmica se describe como el flujo de calor que, en régimen estacionario, atraviesa un material de caras plano-paralelas y de espesor unitario, durante una unidad de tiempo, cuando la diferencia de temperatura entre sus caras es de una unidad.

La resistividad, por otro lado, es el inverso de la conductividad (1/k) y por lo tanto representa la capacidad del material para resistir el flujo de calor. Se expresa en metro grado Celsius por Watt (m°C/W).

Por ejemplo, el acero es un material de elevada conductividad (50 W/m°C) y baja resistividad (0.02 m°C/W), mientras que el poliestireno expandido tiene una conductividad muy baja (0.03 W/m°C) y una resistividad alta (33.33 m°C/W).

Conductancia y resistencia

La conductancia y la resistencia (R) son propiedades de una capa de material, por lo que dependen delespesor específico de dicha capa.

La conductancia representa la capacidad de la capa de material para conducir el calor y es igual a la conductividad dividida por el espesor, expresándose en Watts por metro cuadrado grado Celsius (W/m2°C).

La resistencia, por otro lado, representa la capacidad de una capa de material para resistir el flujo de calor y es igual a la resistividad multiplicada por el espesor, expresándose en metro cuadrado grado Celsius por Watt (m2°C/W). También, aunque casi en desuso, se encuentra la unidad metro cuadrado hora grado Celsius por kilocaloría (m2hr°C/Kcal):

1 m2°C/W = 1.163 m2hr°C/Kcal

Dado que la resistividad es el inverso de la conductividad, y que los valores de conductividad de los materiales constructivos suelen ser más accesibles, la resistencia de un material generalmente se calcula con la siguiente fórmula:

R = e / k

Donde:

R = Resistencia térmica por unidad de área de la capa de material (m2°C/W),

e = Espesor de la capa de material (m).

k = Conductividad del material (W/m°C).

Siguiendo el ejemplo anterior, una capa de acero de 5mm tendría una resistencia térmica de 0.0001 m2°C/W, mientras que una capa de poliestireno expandido de 50mm tendría una resistencia térmica de 1.67 m2°C/W.

En algunos estudios el valor de la resistencia térmica de una capa de material se explica como la diferencia de temperatura que se requiere para producir una unidad de flujo de calor por unidad de superficie.

Valor R

Es común expresar la resistencia térmica de los materiales, sobre todo de los productos aislantes, comovalor R. Por ejemplo, el valor R de una típica colchoneta de fibra de vidrio suele ser de R2.4, es decir, 2.4 m2°C/W.

Si se toma el área total de una capa de este material (m2), se multiplica por la diferencia de temperatura (°C) y se divide por 2.4, se obtiene el flujo de calor en Watts. Así, 100 m2 de aislamiento a base de colchoneta de fibra de vidrio R2.4, expuesto a una diferencia de temperatura de 20°C, dejará pasar un flujo cercano a los 833 Watts.

El valor R se expresa generalmente en m2°C/Watt, pero en algunos países se emplea el pie cuadrado grado fahrenheit por unidad térmica británica (ft²°Fh/Btu):

1 m2°C/Watt = 5.6745 ft2°Fh/Btu

1 ft2°Fh/Btu = 0.1761 m2°C/Watt

Es muy importante prestar atención a las unidades, ya que en esos paises el valor R de la colchoneta en cuestión se expresaría como R13.6 (ft2°Fh/Btu).

En realidad, como se indica en el apartado de resistencia total, los índices de transmisión de calor pueden variar ligeramente ya que existe una resistencia extra a la transmisión de calor entre el aire interior y la superficie del componente, así como entre la superficie expuesta y el aire exterior. Así mismo, la transmisión de calor puede variar dependiendo de la velocidad del viento.

Calor específico

El calor específico es una propiedad simple de los materiales que se refiere, en términos generales, a la capacidad que tienen para acumular calor en su propia masa. También se puede definir como la cantidad de calor que es necesario suministrar a una unidad de peso del material para incrementar su temperatura en un grado Celsius.

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