CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

La conducción es un mecanismo por el cual se da el intercambio de calor, es decir, la transferencia de calor debido a una diferencia de temperatura, entre los extremos de un material, sin desplazamiento apreciable de partículas. Esto implica transferencia de energía cinética entre partículas adyacentes del objeto, por lo cual es más común en sólidos.

Para un sistema como el mostrado en la figura 1, la rapidez de transferencia de calor está dada por la ley de conducción de Fourier:

H=kA ∆T/∆x=kA ((T_2-T_1))/∆x [1]

Donde k es la constante de conductividad térmica, propia del material. Para materiales conductores de calor los valores de k son altos, por el contrario los aisladores presentan valores de k muy bajos.

Este principio es usado ampliamente en la ingeniería de materiales y en todo tipo de industria, pues a veces se requiere de sistemas que trasmitan calor y/o electricidad rápidamente, o por el contrario, que conserven el calor la mayor cantidad de tiempo posible. Una aplicación de este último son los termos, generalmente empleados para almacenar alimentos y mantener su temperatura. Un termo es un ejemplo de un vaso Dewar, llamado así por su inventor James Dewar (1842–1923). El dispositivo proporciona aislamiento térmico, evita pérdidas de calor por mecanismos de transferencia como la conducción y la convección. Esto se logra empleando materiales aisladores como el vidrio (k=0, 84 W m-1 °C-1) que evitan transferencias por conducción, colocados en una doble pared mediada por un espacio donde se genera vacío (para evitar transferencia de calor por convección), y pintadas de plateado para reflejar la radiación, otro mecanismo de transferencia. Los usos van desde el doméstico como transporte de alimentos, hasta usos en el laboratorio para almacenar gases como N u O sin necesidad de refrigeración (Estos gases presentan puntos de ebullición bajísimos).

Los metales, que son buenos conductores del calor, por lo general también son buenos conductores eléctricos. Estas dos propiedades están relacionadas con la estructura de los átomos en los metales. Los átomos en los metales sólidos están dispuestos en una red cristalina, donde existen interacciones entre los electrones de átomos vecinos en la red. Cuando un metal está cerca a una fuente de calor, los electrones en la superficie de la red absorben energía, se excitan y aumentan su energía cinética. Sin embargo la estructura cristalina permite choques de estos electrones solo con los electrones de átomos adyacentes. De esta forma se transmite energía por conducción, sin movimiento global de las partículas. Pero los electrones no sólo contienen energía calórica sino también eléctrica, ya que son partículas cargadas. De modo que cuanto son expuestos a un campo eléctrico estos se aceleran, colisionan con electrones de átomos adyacentes en la red y así se trasmite la corriente. La relación entre conductividad térmica y eléctrica es descrita cuantitativamente por la Ley de la conductividad de Wiedemann-Franz.

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