conductividad térmica de los metales
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Conductividad Térmica De Los Metales
Los metales presentan un lustre característico, Los que se pueden manipular con las manos desnudas, producen una sensación fría característica relacionada con su elevada conductividad térmica. Tienen una alta conductividad eléctrica, la corriente eléctrica fluye fácilmente a través de ellos. El flujo de corriente se produce sin que haya desplazamiento de átomos dentro de la estructura metálica y se debe al flujo de electrones en el interior del metal.
La conductividad térmica de un metal es por lo común paralela a su conductividad eléctrica. Por ejemplo, la plata y el cobre, que poseen las conductividades eléctricas más elevadas, también muestran las conductividades térmicas más altas.Casi todos los metales son maleables (se pueden martillar para formar hojas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar alambres). Estas propiedades indican que los átomos son capaces de resbalar unos con respecto a otros.Casi todos los metales forman estructuras sólidas en las que los átomos están dispuestos como esferas empacadas de manera compacta.
Por ejemplo, el cobre posee una estructura de empaque cúbico compacto en la cual cada átomo de cobre está en contacto con otros 12 átomos de cobre. El número de electrones de capa de valencia disponibles para la formación de enlaces es insuficiente para que un átomo de cobre forme un enlace de par electrónico con cada uno de sus vecinos. Para que cada átomo comparta sus electrones enlazantes con todos sus vecinos, estos electrones deben ser capaces de moverse de una región de enlace a otra.
Un modelo que explica algunas de las características más importantes de los metales es el modelo del mar de electrones.
CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES
Su estado físico es sólido a excepción del mercurio que es líquido. Presentan un brillo característico en su superficie (brillo metálico). Son dúctiles (se les puede transformar en alambres) y maleables (se pueden
transformar en láminas). Son buenos conductores del calor y la electricidad. Son tenaces (la mayoría de ellos se resisten a la ruptura). Su densidad es elevada si se compara con las de los no metales. Se pueden hacer aleaciones (fundir y mezclar dos o más metales).
A continuación se presentan una serie de elementos metálicos de la tabla periódica con sus principales características y propiedades físicas.
Cobre. Cobre (Cu) propiedades y características físicas
Metal de color rojizo, sólido. Dúctil y maleable. Tenaz. Después del oro y la plata es el que conduce mejor calor y electricidad.
Conductividad térmica en cerámicos y vidrios
Los materiales no metálicos se consideran aislantes térmicos por cuanto no contienen electrones libres, los únicos responsables de la conducción térmica son los fonones y kf es mucho menor que k e
El valor de la conductividad térmica está determinado por las imperfecciones de la red o el desorden estructural. Esto hace que la dispersión entre fonones aumente y por tanto disminuya la conductividad térmica.
Los valores de la conductividad térmica en los materiales cerámicos a temperatura ambiente va desde 2 hasta 50 Wm-1 K-1.
El vidrio y otras cerámicas amorfas tienen aún conductividades menores, puesto que la dispersión de fonones es mucho más efectiva cuando la estructura atómica es altamente desordenada e irregular.
Materiales con distinto valor de la conductividad según el eje cristalográfico.
La excepción es el diamante, que debido a su estructura cristalina y al tipo de enlace que tienen los átomos de carbono, tiene una conductividad casi cinco veces mejor que cualquier metal k = 2000 Wm-1K-1,sin embargo es un aislante eléctrico
La porosidad de los materiales cerámicos puede tener una drástica influencia sobre la conductividad térmica; el aumento en la fracción de volumen de poros conduce generalmente a una reducción de la conductividad térmica. Los poros contienen aire, el cual tiene una conductividad térmica muy baja (0.02Wm-1K-1), lo que proporciona a la estructura una pequeña conductividad térmica global. Por tanto la conductividad térmica aumenta con la densidad del material.Dependencia de la Conductividad térmica respecto de la temperatura para varios materiales cerámicos.
La dispersión de las vibraciones de la red se hace más pronunciada al aumentar la temperatura, por lo menos a temperaturas relativamente bajas, lo que lleva a una disminución de k. A temperaturas mucho más altas la conductividad empieza a aumentar, lo cual se debe a la transferencia de calor por radiación; cantidades significativas de radiación infrarroja pueden ser transportadas a través de un material cerámico transparente y la eficiencia de este proceso aumenta con la temperatura. Además pueden excitarse algunos electrones hacia la banda de conducción por lo que también aumenta k.
Conductividad térmica en polímeros
La conductividad térmica de los polímeros son en general muy bajas, del orden de 0.3 Wm-1K-1. En estos materiales la transferencia de calor se realiza por la vibración, traslación y rotación de moléculas.
La magnitud de la conductividad térmica depende del grado de cristalinidad; un polímero con un alto grado de cristalinidad y una estructura ordenada tendrá una conductividad mayor que el material amorfo equivalente. Esto se debe a la vibración coordinada más efectiva de las cadenas de moléculas en el estado cristalino.
Son normalmente usados como aislantes térmicos y aún se pueden mejorar sus propiedades aislantes introduciendo pequeños poros, los cuales se obtienen mediante espumación durante la polimerización.
La espuma de poliestireno (poliestireno expandido) es el material aislante más usado en uso doméstico. Puede llegar a tener una conductividad del orden de 0.03 Wm-1K-1.
Poliestireno expandido
El material de espuma de poliestireno es un aislante derivado del petróleo y del gas natural, de los que se obtiene el polímero plástico estireno en forma de gránulos. Para construir un
bloque se incorpora en un recipiente metálico una cierta cantidad del material que tiene relación con la densidad final del mismo y se inyecta vapor de agua que expande los gránulos hasta formar el bloque. Este se corta en placas del espesor deseado para su comercialización mediante un alambre metálico caliente.
Debido a su combustibilidad se le incorporan retardantes de llama, y se le denomina Difícilmente Inflamable.
Posee un buen comportamiento térmico en densidades que van de 12 kg/m³ a 30 kg/m³
Tiene un coeficiente de conductividad de 0,034 a 0,045 W/(m·K), que depende de la densidad (por regla general, a mayor densidad menor coeficiente de conductividad)
Es fácilmente atacable por la radiación ultravioleta por lo cual se lo debe proteger de la luz del sol
Posee una alta resistencia a la absorción de agua
No forma llama ya que al quemarse se sublima
.
Acero inoxidables
Los Aceros Inoxidables son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. El Cromo forma en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente
delgada, continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables.
El extenso rango de propiedades y características secundarias, presentes en los aceros inoxidables hacen de ellos un grupo de aceros muy versátiles.
La selección de los aceros inoxidables puede realizarse de acuerdo con sus característcas:
Resistencia a la corrosión y a la oxidación a temperaturas elevadas. Propiedades mecánicas del acerol Características de los procesos de transformación a que será sometido. Costo total (reposición y mantenimiento). Disponibilidad del acero.
Los aceros inoxidables tienen una resistencia a la corrosión natural que se forma automáticamente, es decir no se adiciona. Tienen una gran resistencia mecánica, de al menos dos veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas elevadas y a temperaturas criógenicas. Son fáciles de transformar en gran variedad de productos y tiene una apariencia estética, que puede variarse sometiendo el acero l a diferentes tratamientos superficiales para obtener acabado a espejo, satinado, coloreado, texturizado, etc. Volver
Los Aceros Inoxidables Austeníticos.
Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varia de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.
Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317.
Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.
Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc.
Lana natural de oveja
Es la versión natural y ecológica de los aislamientos lanosos. A diferencia de la lana de roca o la lana de vidrio, la lana de oveja se obtiene de forma natural y no necesita de un horneado de altas temperaturas. Es muy resistente y un potente regulador de humedad,
hecho que contribuye enormemente en el confort interior de los edificios. Apenas se utiliza en construcción en comparación con las lanas de vidrio o roca.
Como en los casos anteriores se vende en forma de manta, de paneles aglomerados y a copos.
Coeficiente de conductividad térmica: 0,043 lana vidrio tipo I W/(m·ºK)1
Densidad: 20-80 kg/m³.2
Coeficiente de conductividad térmica: 0,040 a 0,045 W/(m·K)
Mu de 1 a 2
c (calor específico) aproximadamente 1000 J/(kg·K)
La madera como aislante térmico
Es de sobra conocida la utilización de la madera y de sus productos derivados como aislantes térmicos en la edificación, principalmente en paredes y cubiertas.
La madera y demás materiales celulósicos son malos conductores del calor debido a que estos cuerpos tienen escasez de electrones libres, que son los responsables de una fácil transmisión de esta forma de energía (lo contrario de lo que ocurre en los metales), y también debido a que la madera y sus productos derivados son cuerpos porosos y por consiguiente su amplitud conductora tiene un valor intermedio entre los de sus componentes sólidos y los del aire contenido en los poros.
La conductividad térmica del aire en reposo es:
La conductividad térmica de la sustancia leñosa en la dirección longitudinal a las fibras es
dirección perpendicular h = 0,362 Kcal1m.h. °C.
La razón de esta diferencia hay que buscarla en la microestructura de la madera, ya que el transporte del calor por conducción, tropieza con menores resistencias en la dirección de las largas moléculas en cadena de celulosa, que ortogonalmente a ellas
La conductividad térmica es la propiedad física que nos indica la mayor o menor facilidad con que una sustancia determinada realiza la transmisión de calor, dependiendo, en el caso concreto de la madera. de los siguientes factores: temperatura, dirección de la fibra, densidad, humedad, contenido de extractos e irregularidades estructurales tales como fendas y nudos. De todos estos factores, los cuatro primeros son los más importantes y a continuación veremos su influencia.
La conductividad térmica de la madera, aumenta conforme se eleva la temperatura; la siguiente fórmula empírica calculada por Kollmann puede ser utilizada dentro del intervalo de temperaturas
En el caso práctico de una pared, la temperatura que se considera es la temperatura media de las caras caliente y fría.
Normalmente se suele considerar la conductividad constante, ya que al hacerlo así, el error cometido es más pequeño que el producido al estimar las pérdidas o ganancias térmicas del edificio o nave industrial objeto de estudio. No obstante en muchos casos concretos puede interesar conocer exactamente la conductividad y en tales casos si hay que tener en cuenta todos aquellos factores que la modifican.
Fibra de vidrio
También se utiliza como material aislante la estera de fibra de vidrio, cuyas ventajas son las si.guientes:
alta resistencia al fuego; alta resistencia a la contaminación microbiológica; buena resistencia a la mayoría de las sustancias químicas; alta resistencia al calor; disponible en diversas presentaciones (por ejemplo, telas, esteras, relleno suelto y
planchas); baja conductividad térmica (véase el Cuadro 5.4).
Existen rollos de aislante de fibra de vidrio (telas y esteras) de diferentes espesores. La anchura de estas esteras dependerá de la forma en que vayan a instalarse y algunas están revestidas por una cara con una lámina de metal o papel Kraft que actúa como barrera contra los vapores.
CUADRO Densidad y conductividad térmica a 0 °C del aislante de fibra de vidrio
Tipo Densidad(kg/m3)
Conductividad térmica(W m-1 °C-1)/(kcal h-1 m-1 °C-1)
Tipo I 10-18 0,044/0,038
Tipo II 19-30 0,037/0,032
Tipo III 31-45 0,034/0,029
Tipo IV 46-65 0,033/0,028
Tipo V 66-90 0,033/0,028
Tipo V 91 0,036/0,031
Fibra de vidrio, ligada con resina 64-144 0,036/0,031
Fuente: Elaborado por los autores con datos de Melgarejo, 1995.
Sin embargo, las esteras termoaislantes de fibra de vidrio tienen algunas limitaciones técnicas, entre las que destacan las siguientes:
escasa resistencia estructural o resistencia a la compresión; tendencia a asentarse después de la instalación si no se instalan correctamente; permeabilidad a la humedad.
Pueden fabricarse paneles rígidos de planchas de fibra de vidrio comprimida. Estas planchas
CORCHO
El corcho es probablemente uno de los materiales aislantes más antiguos que se han utilizado comercialmente y hubo un tiempo en que fue el material aislante más utilizado en la industria de la refrigeración. Actualmente, debido a la escasez de alcornoques
productores de corcho, su precio es relativamente alto comparado con otros materiales aislantes. En consecuencia, su uso es muy escaso, excepto como base de algunas máquinas, para reducir la transmisión de vibraciones. Puede obtenerse en forma de planchas o bloques expandidos, así como en forma granular; su densidad varía entre 110 y 130 kg/m 3 y su resistencia mecánica es de 2,2 kg/m2 por término medio. Sólo puede utilizarse hasta temperaturas de 65 °C. Tiene una buena eficacia termoaislante, es bastante resistente a la compresión y no arde fácilmente. Su principal limitación técnica es su tendencia a absorber humedad, siendo su permeancia media al vapor de agua de 12,5 g·cm·m-2·día-1·mmHg-1. El Cuadro 5.5 muestra algunas características típicas del corcho.
CUADRO Densidad y conductividad térmica a 20-25 °C del aislante de corcho
Tipo Densidad(kg/m3)
Conductividad térmica(W m-1 °C-1)/(kcal h-1 m-1 °C-1)
Granulado suelto y seco 115 0,052/0,0447
Granulado 86 0,048/0,041
Bloque de corcho expandido 130 0,04/0,344
Plancha de corcho expandido 150 0,043/0,037
Expandido, ligado con resinas o brea 100-150 0,043/0,037
Expandido, ligado con resinas o brea 150-250 0,048/0,041
Fuente: Elaborado por los autores con datos de Melgarejo, 1995.