Calor

3. Fundamento Teórico
Constante de conductividad Térmica
qx"= -kdTdx [1]
Por la ley de Fourier, ecuación (1), la conductividad térmica se define como:
k= -qx"dTdx
De donde se concluye que, para un gradiente de temperatura establecido, el flujo de calor por conducción aumenta, con el incremento de la conductividad térmica. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la deun líquido, que a su vez es mayor que la de un gas. Como se muestra en la tabla (1), la conductividad térmica de un sólido puede ser más de cuatro órdenes de magnitud más grande que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el espacio intermolecular para los dos estados.

Material | K WK*m |
Vapor de agua | 0.025 |
Aire | 0.026 |
Agua líquida | 0.61 |Mercurio | 8.4 |
Espuma de Poliestireno | 0.036 |
Papel | 0.13 |
Vidrio | 0.35 – 1.3 |
Hielo | 2.2 |
Plomo | 34 |
Acero | 45 |
Aluminio | 204 |
Cobre | 380 |
Tabla 1. Conductividad térmica para diversos materiales en varios estados de la materia a temperatura y presión normales.

Estado sólido En la visión moderna de los materiales, un sólido se compone de electrones libres y deátomos unidos en un arreglo periódico denominado estructura cristalina. Por consiguiente, el transporte de energía térmica se debe a dos efectos: la migración de electrones libres y las ondas vibracionales de la estructura cristalina. Estos efectos son aditivos, de modo que la conductividad térmica k es la suma del componente electrónico ke y el componente de la estructura cristalina kl.
k=ke +kl
Enuna primera aproximación, ke es inversamente proporcional a la resistencia eléctrica ρe. Para metales puros, que son de baja ρe, ke es mucho mayor que kl. En contraste, para aleaciones, que son sustancialmente de ρe grande, la contribución de kl a k ya no es insignificante. Para sólidos no metálicos, k está determinada principalmente por kl, que depende de la frecuencia de las interacciones entrelos átomos de la estructura cristalina. La regularidad del arreglo de la estructura cristalina tiene un efecto importante sobre kl, en los materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo que tienen una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio. De hecho, en sólidos cristalinos no metálicos, como el diamante y el óxido de berilio, kl puede ser bastante grande yexceder los valores de k asociados con buenos conductores, como el aluminio.
Sistemas aislantes Los aislantes térmicos se componen de materiales de baja conductividad térmica combinados para lograr un sistema de conductividad térmica aún más baja. En aislantes tipo fibra, polvo y escamas, el material sólido se dispersa finamente en el espacio de aire. Estos sistemas se caracterizan por unaconductividad térmica efectiva, que depende de la conductividad térmica y de las propiedades radiativas de la superficie del material sólido, así como de la naturaleza y fracción volumétrica del aire o espacio vacío. Un parámetro especial del sistema es su densidad global (masa del sólido/volumen total), que depende en gran medida de la forma en la que se interconecta el material sólido.
Si se formanpequeños vacíos o espacios huecos al pegar o fundir partes del material sólido, se crea una matriz rígida. Cuando estos espacios se sellan, el sistema se denomina aislante celular. Ejemplos de estos aislantes rígidos son los sistemas de espuma, en particular los que se hacen con materiales plásticos y de vidrio. Los aislantes reflectores se componen de láminas u hojas delgadas multicapa paralelasde alta reflexividad, que están espaciadas para reflejar el calor radiante de regreso a su fuente. El espacio entre las hojas se diseña para restringir el movimiento del aire, y el espacio incluso está al vacío en aislantes de alto rendimiento. En todos los tipos de aislantes, la evacuación del aire en el espacio vacío reduce la conductividad térmica del sistema.
Es importante reconocer que la...