¿Qué es la resistencia térmica? Resistividad térmica: definición

La resistencia térmica es una propiedad del calor y una medida de la diferencia de temperatura por la cual un objeto o material resiste un flujo de calor. Resistividad térmica

Resistencia Térmica – Resistividad Térmica

resistencia térmica - definición - analogíaEn ingeniería, a menudo se usa otro concepto muy importante. Dado que existe una analogía entre la difusión del calor y la carga eléctrica , los ingenieros a menudo usan la resistencia térmica (es decir, la resistencia térmica contra la conducción del calor) para calcular la transferencia de calor a través de los materiales. La resistencia térmica es el recíproco de la conductancia térmica. Así como una resistencia eléctrica está asociada con la conducción de electricidad, una resistencia térmica puede estar asociada con la conducción de calor.

Considere una pared plana de espesor L y conductividad térmica media k. Las dos superficies de la pared se mantienen a temperaturas constantes de T 1 y T 2 . Para una conducción de calor estable unidimensional a través de la pared, tenemos T (x). Entonces la ley de conducción de calor de Fourier para la pared se puede expresar como:

Ley de Fourier con resistencia térmica.

Definición de resistencia térmica

La resistencia térmica es una propiedad del calor y una medida de la diferencia de temperatura por la cual un objeto o material resiste un flujo de calor. La resistencia térmica para la conducción en una pared plana se define como:

resistencia térmica - definición

Dado que el concepto de resistencia térmica se puede utilizar en una variedad de ramas de ingeniería, definimos:

  • Resistencia térmica absoluta , t , que tiene unidades de [K / W]. La resistencia térmica absoluta es una propiedad de un componente particular, que tiene una geometría definida (espesor – L, área – A y forma). Por ejemplo, una característica de un intercambiador de calor definido. Solo se necesita una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido.
  • Resistencia térmica específica o resistividad térmica específica, λ , que tiene unidades de [(K · m) / W]. La térmica específica es un material constante. Se requiere un espesor del material y una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido.
  • R-valor . El valor R (factor de aislamiento térmico) es una medida de resistencia térmica. Cuanto mayor sea el valor R, mayor será la efectividad aislante. El aislamiento térmico tiene las unidades [(m 2 .K) / W] en unidades SI o [(ft 2 · ° F · hr) / Btu] en unidades imperiales. Es la resistencia térmica del área unitaria de un material. El valor R depende del tipo de aislamiento, su grosor y su densidad. Se requiere un área y una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido.

Analogía a la resistencia eléctrica.

La ecuación anterior para el flujo de calor es análoga a la relación para el flujo de corriente eléctrica I , expresada como:

analogía a la resistencia eléctrica

donde e = L / σ e A es la resistencia eléctrica y V 1 – V 2 es la diferencia de voltaje a través de la resistencia (σ e es la conductividad eléctrica). La analogía entre ambas ecuaciones es obvia. La velocidad de transferencia de calor a través de una capa corresponde a la corriente eléctrica, la resistencia térmica corresponde a la resistencia eléctrica, y la diferencia de temperatura corresponde a la diferencia de voltaje a través de la capa. La diferencia de temperatura es la función potencial o impulsora del flujo de calor, lo que da como resultado que la ecuación de Fourier se escriba de forma similar a la Ley de la teoría del circuito eléctrico de Ohm.

resistencia térmica - paredes compuestasLas representaciones de circuitos proporcionan una herramienta útil para conceptualizar y cuantificar problemas de transferencia de calor. Esta analogía se puede usar también para la resistencia térmica de la superficie contra la convección de calor. Tenga en cuenta que cuando el coeficiente de transferencia de calor por convección es muy grande (h → infinito), la resistencia de convección se convierte en cero y la temperatura de la superficie se aproxima a la temperatura total. Esta situación se aborda en la práctica en superficies donde se produce ebullición y condensación intensivas.

La transferencia de calor a través de la pared compuesta se puede calcular a partir de estas resistencias. La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

resistencia térmica - ecuación

El circuito térmico equivalente para la pared plana con condiciones de superficie de convección se muestra en la figura.

Resistencia de contacto térmico – Conductancia de contacto térmico

Resistencia de contacto térmico - Conductancia de contacto térmicoEn ingeniería térmica, la conductancia de contacto térmico [W / m 2 .K] o la resistencia de contacto térmico [m 2 .K / W]  representa la conducción de calor entre dos cuerpos sólidos. Cuando los componentes se atornillan o se presionan juntos, también se necesita un conocimiento del rendimiento térmico de tales juntas. En estos sistemas compuestos, la caída de temperatura a través de la interfaz entre materiales puede ser apreciable. Esta caída de temperatura se caracteriza por el coeficiente de conductancia de contacto térmico , c, que es una propiedad que indica la conductividad térmica, o la capacidad de conducir calor, entre dos cuerpos en contacto. Si bien existen bases de datos extensas sobre las propiedades térmicas de los materiales a granel, no existen bases de datos similares para contactos prensados.

La inversa de esta propiedad se denomina resistencia de contacto térmico .

La resistencia de contacto depende en gran medida de la rugosidad de la superficie . La presión que mantiene juntas las dos superficies también influye en la resistencia de contacto. Se observa que la resistencia térmica de contacto disminuye al disminuir la rugosidad de la superficie y al aumentar la presión de la interfaz. Esto se atribuye al hecho de que la superficie de contacto entre los cuerpos crece a medida que aumenta la presión de contacto. Cuando dos de esas superficies se presionan entre sí, los picos formarán un buen contacto con el material, pero los valles formarán huecos llenos de aire.. Estos huecos llenos de aire actúan como aislamiento debido a la baja conductividad térmica del aire. El número y el tamaño limitados de los puntos de contacto dan como resultado un área de contacto real que es significativamente más pequeña que el área de contacto aparente. En el caso del material compuesto metálico, que se coloca al vacío, la conducción térmica a través de los puntos de contacto es el modo principal de transferencia de calor, y la resistencia de contacto es generalmente mayor que cuando el material compuesto está en presencia de aire u otro fluido. Además, la resistencia de contacto térmico es significativa y puede dominar para buenos conductores de calor como los metales, pero puede descuidarse para los malos conductores de calor como los aisladores.

Por ejemplo:

  • La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 atm es h c = 3640 W / m 2 .K
  • La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en helio con una presión de interfaz de 1 atm es h c = 9520 W / m 2 .K
  • La conductancia de contacto térmico para placas de acero inoxidable con una rugosidad de la superficie de 2.5 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 MPa es aproximadamente h c = 3000 W / m 2 .K

La resistencia de contacto térmico se puede minimizar aplicando un líquido termoconductor llamado grasa térmica , como la grasa de la CPU, en las superficies antes de presionarse entre sí. El papel principal de la grasa térmica es eliminar los espacios o espacios de aire (que actúan como aislante térmico) del área de la interfaz para maximizar la transferencia de calor. La conductividad térmica del material intersticial y su presión son las dos propiedades que rigen su influencia en la conductancia de contacto.

Referencia especial: Madhusudana, Chakravarti V., Conductancia de contacto térmico. Springer International Publishing, 2014. ISBN: 978-3-319-01276-6.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.