O que é condutividade térmica – Definição

Condutividade térmica

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica , k (ou λ), medida em W / mK . É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gás); portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, isso também depende da pressão. Em geral:

A maioria dos materiais é quase homogênea, portanto, geralmente podemos escrever k = k (T) . Definições semelhantes estão associadas a condutividades térmicas nas direções _y e z (k _y , k _z ), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção da transferência, k _x = k _y = k _z = k.

A partir da equação anterior, segue-se que o fluxo de calor de condução aumenta com o aumento da condutividade térmica e aumenta com o aumento da diferença de temperatura. Em geral, a condutividade térmica de um sólido é maior que a de um líquido, que é maior que a de um gás. Essa tendência se deve em grande parte às diferenças no espaçamento intermolecular para os dois estados da matéria. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica de qualquer material a granel.

Condutividade térmica de fluidos (líquidos e gases)

Na física, um fluido é uma substância que se deforma continuamente (flui) sob uma tensão de cisalhamento aplicada. Os fluidos são um subconjunto das fases da matéria e incluem líquidos , gases , plasmas e, em certa medida, sólidos plásticos. Como o espaçamento intermolecular é muito maior e o movimento das moléculas é mais aleatório para o estado fluido do que para o estado sólido, o transporte de energia térmica é menos eficaz. A condutividade térmicade gases e líquidos é, portanto, geralmente menor que o dos sólidos. Nos líquidos, a condução térmica é causada por difusão atômica ou molecular. Nos gases, a condução térmica é causada pela difusão de moléculas do nível mais alto de energia para o nível mais baixo.

Condutividade térmica de gases

O efeito da temperatura, pressão e espécies químicas na condutividade térmica de um gás pode ser explicado em termos da teoria cinética dos gases . O ar e outros gases geralmente são bons isolantes, na ausência de convecção. Portanto, muitos materiais isolantes (por exemplo, poliestireno) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala . A alternância de bolsa de gás e material sólido faz com que o calor seja transferido através de muitas interfaces, causando uma rápida diminuição no coeficiente de transferência de calor.

A condutividade térmica dos gases é diretamente proporcional à densidade do gás, à velocidade molecular média e, especialmente, ao caminho livre médio da molécula. O caminho livre médio também depende do diâmetro da molécula, com moléculas maiores com maior probabilidade de sofrer colisões do que moléculas pequenas, que é a distância média percorrida por um transportador de energia (uma molécula) antes de experimentar uma colisão. Gases leves, como hidrogênio e hélio, normalmente têm alta condutividade térmica . Gases densos, como xenônio e diclorodifluorometano, têm baixa condutividade térmica.

Em geral, a condutividade térmica dos gases aumenta com o aumento da temperatura.

Condutividade térmica de líquidos

Como foi escrito, em líquidos, a condução térmica é causada por difusão atômica ou molecular, mas os mecanismos físicos para explicar a condutividade térmica de líquidos não são bem compreendidos. Os líquidos tendem a ter melhor condutividade térmica do que os gases, e a capacidade de fluir torna um líquido adequado para remover o excesso de calor dos componentes mecânicos. O calor pode ser removido canalizando o líquido através de um trocador de calor. Os refrigerantes usados ​​nos reatores nucleares incluem água ou metais líquidos, como sódio ou chumbo.

A condutividade térmica de líquidos não metálicos geralmente diminui com o aumento da temperatura.

Condutividade térmica de sólidos

O transporte de energia térmica em sólidos geralmente pode ser devido a dois efeitos:

• a migração de elétrons livres
• ondas vibracionais em treliça (fônons)

Quando elétrons e fônons transportam energia térmica, levando à transferência de calor por condução em um sólido, a condutividade térmica pode ser expressa como:

k = k _e + k _ph

Condutividade térmica de metais

Os metais são sólidos e, como tal, possuem estrutura cristalina, onde os íons (núcleos com suas camadas circulares de elétrons do núcleo) ocupam posições translacionalmente equivalentes na estrutura cristalina. Os metais em geral têm alta condutividade elétrica , alta condutividade térmica e alta densidade. Consequentemente, o transporte de energia térmica pode ser devido a dois efeitos:

• a migração de elétrons livres
• ondas vibracionais em treliça (fônons).

Quando elétrons e fônons transportam energia térmica, levando à transferência de calor por condução em um sólido, a condutividade térmica pode ser expressa como:

k = k _e + k _ph

A característica única dos metais no que diz respeito à sua estrutura é a presença de portadores de carga, especificamente elétrons . As condutividades elétricas e térmicas dos metais se originam do fato de seus elétrons externos serem deslocalizados . Sua contribuição para a condutividade térmica é chamada de condutividade térmica eletrônica, k _e . De fato, em metais puros como ouro, prata, cobre e alumínio, a corrente de calor associada ao fluxo de elétrons excede em muito uma pequena contribuição devido ao fluxo de fônons. Por outro lado, para as ligas, a contribuição de k _ph para k não é mais desprezível.

Condutividade térmica de não metais

Para sólidos não metálicos , k é determinado principalmente por k _ph , que aumenta à medida que a frequência das interações entre os átomos e a rede diminui. De fato, a condução térmica em rede é o mecanismo dominante de condução térmica em não-metais, se não o único. Nos sólidos, os átomos vibram sobre suas posições de equilíbrio (estrutura cristalina). As vibrações dos átomos não são independentes uma da outra, mas são fortemente acopladas aos átomos vizinhos. A regularidade do arranjo de treliça tem um efeito importante no k _ph , com materiais cristalinos (bem ordenados) como o quartzotendo uma condutividade térmica mais alta que os materiais amorfos como o vidro. A temperaturas suficientemente altas k _ph ∝ 1 / T.

Os quanta do campo vibratório do cristal são chamados de ” fonons ” . Um fonon é uma excitação coletiva em um arranjo elástico periódico de átomos ou moléculas na matéria condensada, como sólidos e alguns líquidos. Os fônons desempenham um papel importante em muitas das propriedades físicas da matéria condensada, como condutividade térmica e condutividade elétrica. De fato, para sólidos cristalinos e não metálicos como diamante, o k _ph pode ser bastante grande, excedendo os valores de k associados a bons condutores, como o alumínio. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica (k = 1000 W / mK) de qualquer material a granel.

Condutividade térmica do dióxido de urânio

A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa . Por outro lado, o dióxido de urânio tem um ponto de fusão muito alto e um comportamento bem conhecido . O UO2 é prensado em pastilhas , essas pastilhas são então sinterizadas no sólido.

Esses pellets são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), feita de ligas de zircônio devido à sua seção transversal de absorção muito baixa (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível . As hastes de combustível são o elemento base de um conjunto de combustível.

A condutividade térmica do dióxido de urânio é muito baixa quando comparada ao material de revestimento de urânio metálico, nitreto de urânio, carboneto de urânio e zircônio. A condutividade térmica é um dos parâmetros que determinam a temperatura da linha central do combustível . Essa baixa condutividade térmica pode resultar em superaquecimento localizado na linha central do combustível e, portanto, esse superaquecimento deve ser evitado. O superaquecimento do combustível é evitado através da manutenção da taxa de calor linear de pico no estado estacionário (LHR) ou do fator de canal quente do fluxo de calor – F _Q (z)abaixo do nível em que ocorre a fusão da linha central do combustível. A expansão do granulado de combustível após a fusão da linha central pode fazer com que o granulado estresse o revestimento ao ponto de falha.

A condutividade térmica da UO ₂ sólida com uma densidade de 95% é estimada seguindo a correlação [Klimenko; Zorin]:

onde τ = T / 1000. A incerteza dessa correlação é de + 10% na faixa de 298,15 a 2000 K e de 20% na faixa de 2000 a 3120 K.

Referência especial: Usinas Térmicas e Nucleares / Manual ed. por AV Klimenko e VM Zorin. MEI Press, 2003.

Referência especial: Propriedades termofísicas de materiais para engenharia nuclear: um tutorial e coleta de dados. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Condutividade térmica de zircônio

O zircônio é um metal de transição brilhante, branco-acinzentado e forte que se assemelha ao háfnio e, em menor grau, ao titânio. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como agente de liga por sua forte resistência à corrosão. A liga de zircônio (por exemplo, Zr + 1% Nb) é amplamente utilizada como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. As propriedades desejadas dessas ligas são uma seção transversal de captura de nêutrons baixa e resistência à corrosão em condições normais de serviço. As ligas de zircônio têm menor condutividade térmica (cerca de 18 W / mK) do que o metal de zircônio puro (cerca de 22 W / mK).

Referência especial: Propriedades termofísicas de materiais para engenharia nuclear: um tutorial e coleta de dados. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.