Conductividad

Una manera simple de determinar la conductividad térmica de los materiales
Agustín Ostachuk, Leonardo Di Paolo y Ulises Orlando – Termodinámica, Física I – Universidad Nacional de General San Martín – Julio 2000 - e-mail: aostachuk@hotmail.com

OBJETIVO: Mediante el uso de un dispositivo experimental adecuado, medir la conductividad térmica de materiales utilizados para la construcción.INTRODUCCION: El calor puede ser transferido de un punto a otro mediante tres procesos distintos: conducción, convección y radiación. De lo que aquí se trata es medir la cantidad de calor transferida por conducción. En la conducción el calor se transmite a través de un medio material (en este caso a través del material en estudio) y no hay transporte de materia. La velocidad a la que se transfiere elcalor a través del material (dQ/dt) se representa por la letra H, y se denomina flujo de calor. Empíricamente se halló que el flujo de calor es proporcional al área transversal a la dirección del flujo (A), a la diferencia de temperatura a ambos lados del material (∆T), e inversamente proporcional a la distancia recorrida desde el lugar a mayor temperatura (∆x). Es decir que: H α A ∆T ∆x Para lograrla igualdad de la expresión anterior se agregó una constante k, que es la llamada conductividad térmica: H = dQ = k A ∆T ∆x dt La conductividad térmica expresa la capacidad de un material dado en conducir el calor, y es propia e inherente de cada material. Para obtener el valor de la conductividad térmica lo único que nos falta es hallar una expresión que nos permita determinar el calortransferido. Como la experiencia se basa en fundir un bloque de hielo dispuesto sobre el material a estudiar (ver “Desarrollo Experimental”), entonces vamos a medir ∆Q sabiendo que se necesitan 80 calorías para fundir 1 gramo de hielo. Esto se expresa de la siguiente manera:

∆Q = m Lf
donde m es la masa de hielo fundido y Lf es el calor de fusión, que es el calor necesario para fundir 1 gramo delmaterial (en este caso 80 cal/g). Entonces ya tenemos la fórmula para calcular la conductividad térmica de cualquier material: K = m Lf ∆x = R Lf h ∆t A ∆T A ∆T (R = m/∆t; h = ∆x)

donde ∆t es el tiempo que tarda en fundirse la masa m de hielo, h es el ancho del material, A es el área efectiva a través de la cual se da la transferencia de calor, y ∆T es la diferencia de temperatura a ambos lados delmaterial.

DESARROLLO EXPERIMENTAL: El equipo utilizado (“Thermal Conductivity Apparatus” de la firma Pasco, www.pasco.com) consta de los siguientes elementos: una base, una cámara de vapor, un generador de vapor, un molde de hielo y una serie de placas de distinto material para estudiar su conductividad térmica. La cámara de vapor se coloca sobre la base y se conecta al generador de vapor.Sobre ella se sujeta con unas agarraderas dispuestas por encima de la cámara. La cámara tiene una abertura en la parte superior donde se coloca el material, para que la diferencia de temperatura se dé directamente a través del material. Por último, se coloca el molde de hielo destapado con la boca hacia abajo sobre el material. Al encender el generador de vapor, el vapor circulará a través de lacámara. Se generará entonces una diferencia de temperatura de 100ºC a través del material. El calor fluirá desde la región de temperatura mayor (la cámara de vapor) a la región de temperatura menor (el bloque de hielo) atravesando el material. El calor (energía térmica) transferido al hielo será utilizado para fundirlo. Entonces una buena forma de determinar el calor transferido es recolectar la masade hielo fundido. Una vez armado todo el dispositivo experimental, se puede comenzar la experiencia. Para ello se debe primero medir el diámetro del bloque de hielo (con el cual se determinará el área efectiva de intercambio de calor A) y el ancho del material en estudio (h). El experimento consiste simplemente en hallar el tiempo ∆t en el cual se funde la masa m de hielo. Es importante no...