Conductividad Termica

CONDUCTIVIDAD TERMICA
Objetivo:

Conocer qué es la conductividad térmica, el proceso de cómo se lleva a cabo y las características especificas de este tipo de transferencia de calor.

Introducción

La transferencia de calor es aquella ciencia que busca predecir la transferencia de energía que puede ocurrir entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. Latermodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de explicar cómo puede ser transferida la energía calorífica, sino también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este intercambio bajo ciertas condiciones especificadas. El hecho de que un régimen de transferencia de calor sea el objetivo deseado de unanálisis, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica se ocupa de sistemas en equilibrio; se puede utilizar para predecir la cantidad de energía requerida para pasar un sistema de un estado de equilibrio a otro; no puede usarse para predecir qué tan rápido se realizará un cambio, ya que el sistema no se encuentra en equilibrio durante el proceso. Latransferencia de calor completa al primer y segundo principios de la termodinámica, al proporcionar reglas experimentales adicionales que se pueden utilizar para establecer rapideces de transferencia de energía. Tal como en la ciencia de la termodinámica, las reglas experimentales utilizadas como base del tema de la transferencia de energía son muy simples y se les puede ampliar con facilidad para queabarquen diversas situaciones prácticas.

Marco Teórico
Conductividad Térmica

La Ec. l-l es la igualdad que define la conductividad térmica. Basándose en esta definición, se pueden realizar mediciones experimentales para determinar la conductividad térmica de diferentes materiales. Para gases a temperaturas moderadamente bajas, se pueden usar tratamientos analíticos en la teoría cinéticade los gases para predecir de manera exacta los valores observados experimentalmente. En algunos casos, hay teorías útiles para la predicción de la conductividad térmica en sólidos y líquidos, pero en general, todavía hay muchas preguntas abiertas y conceptos que necesitan ser clasificados.

El mecanismo de la conductividad térmica en un gas es simple. Identificamos la energía cinética de unamolécula con su temperatura; así, en una región de alta temperatura, las moléculas tienen velocidades más altas que en una región de temperatura baja. Las moléculas se encuentran en continuo movimiento aleatorio, chocando unas contra otras e intercambiando energía y momento. Las moléculas tienen este movimiento aleatorio exista o no un gradiente de temperatura en el gas: Si una molécula se mueve deuna región de alta temperatura a una de baja temperatura, transporta energía cinética a la parte del sistema de baja temperatura y transfiere esta energía a través de colisiones con moléculas de temperatura más baja.
La Tabla 1-1 contiene una lista de los valores de conductividad térmica para diversos materiales para indicar las órdenes de magnitud relativas que se han de esperar en la práctica.En el Apéndice A se proporciona una tabla informativa más completa. En general, la conductividad térmica depende mucho de la temperatura.
Observamos que la conductividad térmica tiene las unidades de watts por metro por grado Celsius cuando el flujo de calor está expresado en watts. Obsérvese que se incluye una rapidez de calor, y que el valor numérico de la conductividad térmica indica qué tanrápido fluirá en un material dado. ¿Cómo se toma en consideración la rapidez de transferencia de energía en el modelo molecular que acabamos de discutir? Es claro que cuanto más rápido se muevan las moléculas, más rápidamente transportarán energía. Por consiguiente, la conductividad térmica de un gas deberá depender de la temperatura. Un tratamiento analítico simplificado muestra que la...