Conductividad térmica de materiales y elementos químicos.
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi casi homogéneos, por lo tanto, generalmente podemos escribir k = k (T) . Definiciones similares se asocian con conductividades térmicas en las direcciones y y z (k y , k z ), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, k x = k y = k z = k.
De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de calor de conducción aumenta al aumentar la conductividad térmica y aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que es mayor que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el espacio intermolecular para los dos estados de la materia. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica de cualquier material a granel.
Conductividad térmica de fluidos (líquidos y gases)
En física, un fluido es una sustancia que continuamente se deforma (fluye) bajo un esfuerzo cortante aplicado. Los fluidos son un subconjunto de las fases de la materia e incluyen líquidos , gases , plasmas y, hasta cierto punto, sólidos plásticos. Debido a que el espaciamiento intermolecular es mucho mayor y el movimiento de las moléculas es más aleatorio para el estado fluido que para el estado sólido, el transporte de energía térmica es menos efectivo. La conductividad térmica de gases y líquidos es, por tanto, generalmente menor que la de sólidos. En los líquidos, la conducción térmica se produce por difusión atómica o molecular. En los gases, la conducción térmica es causada por la difusión de moléculas desde el nivel de energía más alto al nivel más bajo.
Conductividad térmica de gases
El efecto de la temperatura, la presión y las especies químicas sobre la conductividad térmica de un gas puede explicarse en términos de la teoría cinética de los gases . El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes, en ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor deba transferirse a través de muchas interfaces, lo que provoca una rápida disminución del coeficiente de transferencia de calor.
La conductividad térmica de los gases es directamente proporcional a la densidad del gas, la velocidad molecular media y especialmente a la trayectoria libre media de la molécula. El camino libre medio también depende del diámetro de la molécula, y las moléculas más grandes tienen más probabilidades de experimentar colisiones que las moléculas pequeñas, que es la distancia promedio recorrida por un portador de energía (una molécula) antes de experimentar una colisión. Los gases ligeros, como el hidrógeno y el helio, suelen tener una alta conductividad térmica . Los gases densos como el xenón y el diclorodifluorometano tienen baja conductividad térmica.
En general, la conductividad térmica de los gases aumenta al aumentar la temperatura.
Conductividad térmica de líquidos
Como se escribió, en los líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular, pero no se conocen bien los mecanismos físicos para explicar la conductividad térmica de los líquidos. Los líquidos tienden a tener una mejor conductividad térmica que los gases, y la capacidad de fluir hace que un líquido sea adecuado para eliminar el exceso de calor de los componentes mecánicos. El calor se puede eliminar canalizando el líquido a través de un intercambiador de calor. Los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares incluyen agua o metales líquidos, como sodio o plomo.
La conductividad térmica de los líquidos no metálicos generalmente disminuye al aumentar la temperatura.
Referencia especial: Propiedades termofísicas de materiales para ingeniería nuclear: tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, OIEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con los metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápidamente con el agua y el vapor sin tratar. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llevarlo por evaporación en una torre de enfriamiento).
Conductividad térmica del agua
Conductividad térmica del vapor
Ver también: Steam Tables
Referencia especial: Propiedades termofísicas de materiales para ingeniería nuclear: tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, OIEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
Es un gas monoatómico incoloro, inodoro, insípido, no tóxico, inerte, el primero en el grupo de gases nobles en la tabla periódica. Su punto de ebullición es el más bajo entre todos los elementos.
Debido a la masa molar (atómica) relativamente baja del helio, su conductividad térmica, calor específico y velocidad del sonido en la fase gaseosa son mayores que cualquier otro gas excepto el hidrógeno. Por su inercia y alta conductividad térmica, transparencia de neutrones y porque no forma isótopos radiactivos en las condiciones del reactor, el helio se utiliza como medio de transferencia de calor en algunos reactores nucleares refrigerados por gas (por ejemplo, reactores refrigerados por gas de alta temperatura – HTGR ).
Referencia especial: Propiedades termofísicas de materiales para ingeniería nuclear: tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, OIEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
Conductividad térmica de metales
Los metales son sólidos y, como tales, poseen una estructura cristalina donde los iones (núcleos con sus capas circundantes de electrones centrales) ocupan posiciones traslacionalmente equivalentes en la red cristalina. Los metales en general tienen alta conductividad eléctrica , alta conductividad térmica y alta densidad. En consecuencia, el transporte de energía térmica puede deberse a dos efectos:
- la migración de electrones libres
- ondas vibratorias de celosía (fonones).
Cuando los electrones y fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica se puede expresar como:
k = k e + k ph
La característica única de los metales en lo que respecta a su estructura es la presencia de portadores de carga, específicamente electrones . Las conductividades eléctricas y térmicas de los metales se originan por el hecho de que sus electrones externos están deslocalizados . Su contribución a la conductividad térmica se denomina conductividad térmica electrónica, k e . De hecho, en metales puros como el oro, la plata, el cobre y el aluminio, la corriente de calor asociada con el flujo de electrones supera con creces una pequeña contribución debida al flujo de fonones. Por el contrario, para las aleaciones, la contribución de k phk ya no es insignificante.
Cualitativamente, esta relación se basa en el hecho de que el transporte de calor y eléctrico involucran los electrones libres en el metal. La conductividad eléctrica disminuye con el aumento de la velocidad de las partículas porque las colisiones desvían los electrones del transporte de carga hacia adelante. Sin embargo, la conductividad térmica aumenta con la velocidad promedio de las partículas, ya que eso aumenta el transporte de energía hacia adelante. La ley de Wiedemann-Franz generalmente se obedece bien a altas temperaturas. En las regiones de temperatura baja e intermedia, sin embargo, la ley falla debido a la dispersión inelástica de los portadores de carga.
Cabe señalar que la correlación general entre la conductancia eléctrica y térmica no es válida para otros materiales, debido a la mayor importancia de los portadores de fonones para el calor en los no metales.
Conductividad térmica de no metales
Para los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por k ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica de celosía es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición de la celosía tiene un efecto importante en el k ph , con materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo.que tiene una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio. A temperaturas suficientemente altas k ph ∝ 1 / T.
Los cuantos del campo vibratorio del cristal se conocen como ” fonones ” . Un fonón es una excitación colectiva en una disposición elástica periódica de átomos o moléculas en materia condensada, como sólidos y algunos líquidos. Los fonones juegan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de la materia condensada, como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. De hecho, para sólidos cristalinos no metálicos como el diamante, k phpuede ser bastante grande, excediendo los valores de k asociados con buenos conductores, como el aluminio. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica (k = 1000 W / mK) de cualquier material a granel.
