Transferencias de Calor – Conducción
El flujo de calor por conducción ocurre por intermedio de las colisiones entre átomos y moléculas de una substancia y la subsecuente transferencia de energía cinética. Consideraremos dos substancias bajo distintas temperaturas separadas por una barrera que es súbitamente removida, como muestra la imagen abajo.
Transferencia de calor por conducción
Cuando se remueve la barrera, los átomos “calientes” colisionan con los átomos “fríos”. En dichas colisiones, los átomos rápidos pierden alguna velocidad, y los más lentos ganan en velocidad. Luego, los más rápidos transfieren algo de su energía para los más lentos. Dicha transferencia del lado caliente para el lado frío es llamada flujo de calor por conducción.
Materiales distintos transfieren calor por conducción con distintas velocidades. Es una medida de la conductividad térmica. Pero, ¿qué factores afectan a esta conductividad térmica? La conductividad térmica de un material puede ser influenciada por varios factores, incluyendo la temperatura, la densidad y la humedad del material. A medida que la temperatura aumenta, la energía cinética de las moléculas también aumenta, lo que puede llevar a un aumento en la conductividad térmica. Sin embargo, en algunos materiales, un aumento en la temperatura puede causar una disminución en la densidad, lo que puede resultar en una disminución de la conductividad térmica.
Conductividad térmica
Si ponemos envuelto a un objeto de temperatura T2 con una capa de algún material con el objetivo de aislarlo del ambiente externo que posee una temperatura T1, entonces la conductividad térmica del material aislante determina la rapidez con que el calor fluirá por a través de dicho material.
La conductividad térmica k es definida por la ecuación
ΔQ/ Δt = – k A ΔT/ Δx
ΔQ/Δt es la tasa con que el calor fluye por a través del área A, en Joules por segundo, o Watts. ΔT/Δx es el cambio de temperatura por unidad de distancia Δx en grados Kelvin, o Celsius, por metro. La conductividad térmica k es una propiedad del material.
Es importante mencionar que la conductividad térmica no es la única forma de transferencia de calor. Existen también la convección y la radiación. La convección se da en fluidos y gases, donde las partículas calientes se desplazan llevando su calor. La radiación, por otro lado, es la transferencia de calor a través del vacío, como el calor del sol que llega a la Tierra.
Supongamos que un material está puesto entre dos depósitos a diferentes temperaturas, conforme el dibujo abajo.
Medida de la conductividad térmica
Ahora mediremos el flujo de calor, ΔQ/ Δt , a través del material por unidad de tiempo. Conociendo el área transversa, A, y la longitud, L, y la conductividad térmica del material, k,
ΔQ/ Δt = – k(A/L) Δ T
donde Δ T es la diferencia de temperatura entre los depósitos. El signo menos (-) significa que ΔQ = Q2 – Q1 es positivo cuando ΔT = T2 – T1 sea negativo. O sea, el flujo de calor se da de la parte más caliente para la más fría.
Luego, para una determinada diferencia de temperatura entre los depósitos, los materiales con conductividad térmica mayor van a transferir mayores cantidades de calor por unidad de tiempo – dichos materiales como el cobre son buenos conductores térmicos.
De lo contrario, materiales con pequeñas conductividades térmicas fluirán pequeñas cantidades de calor por unidad de tiempo – eses materiales, como el concreto, son conductores térmicos ‘pobres’. Esa es la razón por la cual usted pone un pedazo de cobre y un pedazo de concreto en el fuego y el cobre calentará mucho más rápido que el concreto.
Por la misma razón se da el aislamiento de la fibra de vidrio, y con plumas de aves o cuero, poseen agujeros con aire adentro del material – el aire sin movimiento es un pobre conductor de calor, y con eso ayuda a disminuir la pérdida de calor a través del material.
Los aislamientos de casas en países fríos también se hacen con conductores pobres de calor, que mantienen el calor en el interior. Al contrario de la conductividad térmica, el aislamiento es usualmente descrito en términos de resistencia térmica, Rt, que se define por
Rt = 1/k
Luego, materiales que poseen alta conductividad térmica son resistores térmicos pobres – o sea, malos aislantes. Por otro lado, materiales con pequeña conductividad térmica poseen gran resistencia térmica – son buenos aislantes.
Conductividades térmicas: (kcal/s)/ (oC m)
1 kcal = 4184 J
Además de la conductividad térmica, es importante considerar también el calor específico de los materiales. El calor específico es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un kilogramo de material en un grado Celsius. Materiales con un alto calor específico, como el agua, pueden absorber mucho calor sin un gran cambio en la temperatura. Por otro lado, materiales con un bajo calor específico, como el metal, experimentarán un rápido aumento de temperatura cuando se les aplique calor.
