Propiedades Térmicas de Materiales: Calor, Conducción y Transmitancia

Propiedades Térmicas Fundamentales de los Materiales

La capacidad calórica es una propiedad intrínseca de los materiales que indica su habilidad para absorber calor del entorno. Representa la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura en una unidad. Es un factor clave para entender cómo un material reacciona a los cambios térmicos.

Conducción Térmica: El Flujo de Calor en Sólidos

La conducción térmica es el fenómeno mediante el cual el calor se transfiere de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura dentro de una sustancia. Esta propiedad mide la eficacia con la que un material puede transmitir calor a través de sí mismo.

• Alta Conductividad: Se observa típicamente en metales y en cuerpos continuos.
• Baja Conductividad: Característica de los polímeros.
• Aislantes Térmicos: Materiales como la fibra de vidrio presentan una conductividad muy baja, siendo excelentes para aislar.

Transmitancia Térmica: Medición de la Transferencia de Calor

La transmitancia térmica cuantifica la cantidad de energía que atraviesa, por unidad de tiempo, una superficie específica de un elemento constructivo con caras planas paralelas, bajo un gradiente térmico unitario. Es la inversa de la resistencia térmica.

Mecanismos de Conductividad del Calor

El calor se transporta en los materiales sólidos principalmente a través de dos mecanismos:

1. Vibraciones de la Red (Fonones): Las ondas de vibración en la estructura cristalina del material.
2. Electrones Libres: El movimiento de electrones con carga eléctrica.

La conductividad térmica total de un material es la suma de las contribuciones de estos dos mecanismos.

Conductividad en Metales

En metales de alta pureza, el transporte de calor mediado por electrones libres es significativamente más eficiente que la contribución de los fonones. Esto se debe a que los electrones se dispersan menos fácilmente y poseen velocidades mayores. Por consiguiente, los metales son excelentes conductores del calor gracias a su considerable número de electrones libres que participan activamente en la conducción térmica.

Conductividad en Cerámicos

CERÁMICOS:

Los materiales no metálicos, como los cerámicos, actúan como aisladores térmicos al carecer de un gran número de electrones libres. En estos materiales, los fonones son los principales responsables de la conductividad térmica (λl es mucho mayor que λe). Los fonones no son tan eficientes como los electrones libres en el transporte de energía calorífica, ya que su difusión se ve obstaculizada por imperfecciones cristalinas.

Tensiones Térmicas en Materiales

Las tensiones térmicas son esfuerzos inducidos en un cuerpo como resultado de cambios en su temperatura. Estas tensiones pueden surgir de la expansión y contracción térmicas cuando el movimiento está restringido.

Tensiones por Expansión y Contracción Confinada

Considere una varilla de un sólido homogéneo e isotrópico que se calienta o enfría uniformemente. Si su movimiento axial se restringe, por ejemplo, mediante extremos rígidos, se introducirán tensiones térmicas. La magnitud de esta tensión depende directamente del cambio de temperatura (ΔT).

Esfuerzos Resultantes de Gradientes de Temperatura

Cuando un sólido se calienta o enfría, la distribución interna de la temperatura varía según su tamaño, forma, conductividad térmica y la velocidad del cambio de temperatura. Los esfuerzos térmicos pueden originarse por gradientes de temperatura a través del cuerpo, frecuentemente causados por calentamientos o enfriamientos rápidos, donde la temperatura superficial cambia más velozmente que la temperatura interna del material.