Práctica 4 Conductividad Térmica

OBJETIVO GENERAL:

Determinar la conductividad térmica de distintos materiales

Objetivos específicos:

• Aprender el uso de la unidad experimental
• Aprender el uso de las gráficas de Heissler
• Desarrollar la práctica para determinar la conductividad térmica de diferentes materiales

ANTECEDENTES:

Conducción

La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de onda.

La conducción del calor es muy reducida en el espacio ultra vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.

El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Ley de Fourier

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumentan su vibración  chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas el cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una flama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo.

Los mecanismos de transferencia de energía térmica son de tres tipos:

1. Conducción
2. Convección
3. Radiación

La transferencia de energía o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay, en la figura 4.1 se ejemplifica el proceso de transferencia de calor que siempre se hacer la zona caliente a la zona fría. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la “materia fría”, ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturas superiores a varios miles de Kelvin.[pic 2][pic 1]

Figura 4. 1 Transferencia de calor por conducción

El calor no se transmite con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados “buenos conductores del calor”, que son aquellos materiales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los “malos conductores o aislantes” son los que oponen mucha resistencia al paso de calor.

La conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, ver ecuación 4.1. Establece que la tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada, es proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa dirección.

                    Ec. 4.1[pic 3]

Donde  es la tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x,  el flujo de calor, la constante de proporcionalidad  se llama conductividad térmica, T es la temperatura, t es el tiempo.[pic 4][pic 5][pic 6]

Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la substancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 °K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.

Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denomina por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una substancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, 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, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.

La tabla 4.1  muestra la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ)  representa la cantidad de calor (energía) necesaria por unidad de tiempo medida en vatios por metro cuadrado de superficie que debe atravesar en forma perpendicular, para que atravesando durante la unidad de tiempo, un espesor de 1 m de material homogéneo se obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre dos caras. Todo ello en un sistema que se encuentra en estado estacionario o sea donde el campo de temperaturas no varía a lo largo del tiempo. La conductividad térmica se expresan en unidades de

 (.[pic 7][pic 8]

La conductividad térmica también puede expresarse en unidades de British Thermal Units (BTU) por hora por pie por grado Fahrenheit (BTU/ * ft* °F). Estas unidades pueden transformase ha  empleando el siguiente factor de conversión: 1 [pic 9][pic 10][pic 11]

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