¿Qué es la conductividad térmica? Definición

La conductividad térmica es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Conductividad térmica, k (o λ), medida en ingeniería térmica W / mK

Conductividad térmica

Conducción térmica - conductividad térmica - dióxido de uranioLas 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:

conductividad térmica - definición

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 - materiales

Conductividad térmica de fluidos (líquidos y gases)

En física, un fluido es una sustancia que se deforma (fluye) continuamente bajo un esfuerzo cortante aplicado. Los fluidos son un subconjunto de las fases de la materia e incluyen líquidos , gases , plasmas y, en cierta medida, sólidos plásticos. Debido a que el espacio 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 térmicade gases y líquidos es, por lo tanto, generalmente más pequeño que el de los sólidos. En líquidos, la conducción térmica es causada 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

conductividad térmica - gasesEl 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 se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida 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. La ruta libre media también depende del diámetro de la molécula, con moléculas más grandes con mayor probabilidad 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 con el aumento de la temperatura.

Conductividad térmica de líquidos

Como se escribió, en líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular, pero los mecanismos físicos para explicar la conductividad térmica de los líquidos no se conocen bien. 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 puede eliminarse 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.

Conductividad térmica de sólidos

El transporte de energía térmica en sólidos puede deberse generalmente a dos efectos:

  • la migración de electrones libres
  • ondas vibratorias reticulares (fonones)

Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse como:

k = k e + k ph

Conductividad térmica de metales

conductividad térmica - metalesLos metales son sólidos y, como tales, poseen una estructura cristalina donde los iones (núcleos con sus capas circundantes de electrones centrales) ocupan posiciones translacionalmente 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 reticuladas vibracionales (fonones).

Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse 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 conoce como 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 debido al flujo de fonones. Por el contrario, para las aleaciones, la contribución de k ph a k ya no es despreciable.

Conductividad térmica de no metales

conductividad térmica - materiales de construcciónPara los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica en 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 reticular tiene un efecto importante en 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.

conductividad térmica - sólidosLos cuantos del campo vibratorio de cristal se denominan ” fonones ” . Un fonón es una excitación colectiva en una disposición periódica y elástica 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 ph puede 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.

Conductividad térmica del dióxido de uranio

Conducción térmica - conductividad térmica - dióxido de uranioLa mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica . Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido . El UO2 se presiona en gránulos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible . Las barras de combustible son el elemento base de un conjunto de combustible.

La conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio metálico, nitruro de uranio, carburo de uranio y material de revestimiento de circonio. La conductividad térmica es uno de los parámetros que determinan la temperatura de la línea central del combustible . Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en la línea central del combustible y, por lo tanto, se debe evitar este sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento del combustible se evita manteniendo la tasa de calor lineal máxima (LHR) en estado estable o el factor de canal caliente del flujo de calor – F Q (z)debajo del nivel en el cual ocurre la fusión de la línea central del combustible. La expansión de la pastilla de combustible al derretirse en la línea central puede hacer que la pastilla tensione el revestimiento hasta el punto de falla.

La conductividad térmica del UO 2 sólido con una densidad del 95% se estima mediante la siguiente correlación [Klimenko; Zorin]:

conductividad térmica del uranio - ecuación

donde τ = T / 1000. La incertidumbre de esta correlación es + 10% en el rango de 298.15 a 2000 K y + 20% en el rango de 2000 a 3120 K.

Conductividad térmica - Dióxido de uranio - gráfico

Referencia especial: Centrales térmicas y nucleares / Manual ed. por AV Klimenko y VM Zorin. MEI Press, 2003.

Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Conductividad térmica de circonio

Conducción térmica - conductividad térmica - circonioEl circonio es un metal de transición brillante, de color blanco grisáceo y fuerte que se asemeja al hafnio y, en menor medida, al titanio. El circonio se usa principalmente como refractario y opacificador, aunque se usan pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. La aleación de circonio (por ejemplo, Zr + 1% Nb) se usa ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. Las propiedades deseadas de estas aleaciones son una sección transversal de baja captura de neutrones y resistencia a la corrosión en condiciones normales de servicio. Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).

Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

 

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