3 Tipos de Transferencia de Calor por Conducción en Sólidos

Tipos de transferencia de calor en sólidos: conducción molecular en materiales no metálicos, conducción electrónica en metales y conducción por fonones en cristales y semiconductores.

3 Tipos de Transferencia de Calor por Conducción en Sólidos

La transferencia de calor por conducción es un proceso fundamental en la ingeniería térmica. En este artículo, exploraremos tres tipos principales de transferencia de calor por conducción en sólidos: conducción molecular, conducción electrónica y conducción por fonones.

1. Conducción Molecular

La conducción molecular ocurre cuando el calor se transfiere a través de la vibración y el choque de moléculas adyacentes en un sólido. Este tipo de transferencia de calor es común en materiales no metálicos, como cerámicas y polímeros.

Proceso: Cuando una región del sólido se calienta, las moléculas en esa región vibran con mayor energía. Estas moléculas transfieren energía a moléculas contiguas a través de impactos directos, lo que produce un flujo de calor desde la región más caliente hacia la más fría.

Ecuación: La ley de Fourier describe la conducción de calor: \( q = -k \nabla T \), donde \( q \) es el flujo de calor, \( k \) es la conductividad térmica del material, y \( \nabla T \) es el gradiente de temperatura.

2. Conducción Electrónica

La conducción electrónica es el tipo de transferencia de calor dominante en metales. Esto se debe a que en los metales, los electrones libres pueden moverse con mucha libertad y transportar energía térmica de una región a otra.

Proceso: Los electrones libres en los metales actúan como portadores de energía. Cuando una región del metal se calienta, los electrones en esa área ganan energía y se mueven rápidamente a través del material, transfiriendo calor a otras regiones más frías.

Ecuación: La relación entre la conducción térmica y la conducción eléctrica en los metales se describe mediante la ley de Wiedemann-Franz: \( \frac{k}{\sigma} = \frac{L T}{e} \), donde \( k \) es la conductividad térmica, \( \sigma \) es la conductividad eléctrica, \( L \) es la constante de Lorenz, \( T \) es la temperatura, y \( e \) es la carga del electrón.

3. Conducción por Fonones

La conducción por fonones implica el movimiento de cuasipartículas llamadas fonones, que son responsables de la transmisión del calor en sólidos no metálicos y semiconductores.

Proceso: Los fonones representan las vibraciones mecánicas en una red cristalina del sólido. Estos fonones transportan energía térmica a medida que se propagan a través del material. Este mecanismo es especialmente importante en materiales donde la conducción electrónica es mínima o inexistente.

Ecuación: La conducción de calor por fonones se puede modelar usando la ecuación de transporte de Boltzmann para fonones: \( q = – \kappa \nabla T \), donde \( \kappa \) es la conductividad térmica asociada con los fonones y \( \nabla T \) es el gradiente de temperatura.

Conclusión

Comprender los diferentes tipos de transferencia de calor por conducción en sólidos es crucial para diversas aplicaciones en ingeniería térmica. La conducción molecular es más relevante para materiales no metálicos, la conducción electrónica domina en los metales, y la conducción por fonones es significativa en cristales y semiconductores. El conocimiento de estos mecanismos permite diseñar mejores sistemas de gestión térmica y mejorar la eficiencia de dispositivos térmicos.