conductividad térmica - Wikilingue - Encydia
La conductividad térmica es una magnitud física que caracteriza el comportamiento de los matériaux durante la transferencia térmica por conduction. Esta constante aparece por ejemplo en la ley de Fourier (ver el artículo Conduction térmico). Representa la cantidad de calor transferido por unidad de superficie y por una unidad de tiempo bajo un gradient de temperatura de 1 grada por metro.
Sumario |
Generalidades
En el sistema internacional de unidades, la conductividad térmica es expresada en vatios por metro por kelvin, (W·m-1·K-1) dónde :
- El vatio es la unidad de potencia.
- El metro es la unidad de longitud (espesura/superficie , m-1 = m/m2)
- El kelvin es la unidad de temperatura.
La conductividad depende principalmente de :.
- La naturaleza del matériau,
- La temperatura.
- Otros parámetros como la humedad, la presión intervienen igualmente.
general, la conductividad térmica va de pair con la conductividad eléctrica. Por ejemplo, los metales, buenos conductores de electricidad son también bonos conductores térmicos. Hay excepciones, la más excepcional que es aquella del diamante, que tiene una conductividad térmica elevada (entre 1000 y 2 600 W·m-1·K-1) mientras que su conductividad eléctrica es baja.
De un punto de vista atómica, la conductividad térmica es ligada en dos tipos de comportamientos :
- El movimiento de los portadores de cargos, electrones o agujeros.
- La oscilación de las atomes en torno a su posición de equilibrio.
En los metales, el movimiento de los electrones libres es prépondérant mientras que en el caso de los no-metales, la vibración de las ions es la más de entidad.
La conductividad térmica es pues ligada por un lado a la conductividad eléctrica (movimiento de los portadores de cargo) y por otro lado a la estructura misma del matériau (vibraciones de las atomes). En efecto en un sólido, las vibraciones de las atomes no son aleatorias e independientes mutuamente, pero corresponden a modos propios de vibración, también llamados « phonons » (se puede hacer por ejemplo el analogie con un pendule o una cuerda de guitarra, cuya frecuencia de vibración es fijada. Estas modas propias de vibración corresponden a ondas que pueden propagarse en el matériau, si su estructura es periódica (organizada). Esta contribución será pues más de entidad en un cristal, ordenado, que en un vaso, desordenado (de donde por ejemplo la diferencia de conductividad térmica entre el diamante aquí-encima y el vaso en el cuadro).
Matemáticamente, la conductividad térmica λ puede pues escribirse como la suma de dos contribuciones :
dónde
- λe Es la contribución de los portadores de cargo (electrones o agujeros)
- λp Es la contribución de las vibraciones de las atomes (phonons)
La contribución de los portadores de cargo es ligada en la conductividad eléctrica σ del matériau por la relación de Wiedemann-Franz :
Donde L es llamado « Factor de Lorentz ». Este número L depende procesos de difusión de los portadores de cargo (lo que corresponde más o menos al modo cuyo son molestados por obstáculos durante sus desplazamientos, ver también difusión de las ondas) así como de la posición del nivel de Fermi. En los metales, es igual al número de Lorentz L0, con :
dónde
- k Es la constante de Boltzmann
- e Es la carga del electrón
Órdenes de magnitud de las conductividades térmicas de algunas matériaux
| Matériaux | Conductividad térmica (W·m-1·K-1) Valores para una temperatura de 20 °C |
|---|---|
| Acero dulce | 46 |
| Acero inoxidable (18% Chrome, 8% Nickel) | 26 |
| Adobe (Tierra cruda) | 0,32 |
| Air (100 kPa) | 0,0262 |
| Aluminio (pureza del 99,9%) | 237 |
| Al-SiC | 150-200 |
| Amiante | 0,168 |
| Ardoise (Paralelo) | 2,50 a 95°C[1] |
| Ardoise (perpendiculaire) | 1,4 a 95°C[1] |
| Dinero | 418[2] |
| Asphalte (2,1 g/cm³) | 0,06[1] |
| Bakélite (1,3 g/cm³) | 1,4[1] |
| Basalte | 2[1] |
| Hormigón | 0,92[2] |
| Bosque de roble. | 0,16[1] |
| Bosque de ahogar (0,65 g/cm³) | 0,14[1] |
| Bosque de pino (paralelo en las fibras) | 0,36 |
| Bosques de pino (perpendiculaire a las fibras) | 0,15 |
| Ladrillo (entierra cocida) | 0,84[2] |
| Caucho vulcanisé (EPDM) | 0,36 a 0,40 |
| Calcaire (2 g/cm³) | 1[1] |
| Carbono | 129 |
| Goleada | |
| Carbón de bosque (0,2 g/cm³) | 0,055[1] |
| Contreplaqué | 0,11[1] |
| Craie | 0,92[1] |
| Cobre | 390[2] |
| Diamante | 1000-2600 |
| Dihydrogène (Gas) | 0,18 |
| Dioxygène (Gas) | 0,027 |
| Agua | 0,6[2] |
| Epoxy | 0,25 |
| Étain | 66,6 |
| Hierro | 80[3] |
| Deshielo | 100 |
| Granito (2,8 g/cm³) | 2,2[1] |
| Gres (2,2 g/cm³) | 1,3[1] |
| Hélium (Gas) | 0,14[3] |
| Hulla (1,35 g/cm³) | 0,26[1] |
| Lana | 0,05 |
| Lana de roca (150 a 175 kg/m³) | 0,045[4] |
| Lana de vaso | 0,04[2] |
| Lieja | 0,04[2] |
| Mármol | 0,30[2] |
| Mortero de cal. | 0,87 |
| Mousse De Polyuréthane rígido | 0,025 |
| Oro | 317 |
| Ouate De cellulose | 0,041 |
| Paja (perpendiculaire a las fibras) | 0,04 |
| perlite | 0,038 |
| Platino | 71,6 |
| Plomb | 35[3] |
| Polystyrène expansé | 0,036 |
| Pouzzolane | 0.15 |
| Quartz | 6,8-12 |
| Roseau (en cartel) | 0,056 |
| Schiste | |
| Silicio | 149 |
| Nitrure De silicio (Sialon) | 20-65 |
| Entierra (seca) | 0,75 |
| Titane | 6,7 |
| Vaso | 1,2[2] |
| Zinc | 116 |
Si el diamante tiene una conductividad térmica muy elevada, aquella del diamante azul naturalidad lo es todavía más. Se puede pues examinar de los gemmes para determinar si están verdaderos diamantes utilizando un aparato de control de la conductividad térmica, uno de los instrumentos estándares utilizado gemmologie. Los diamantes de cualquier tamaño aparecen siempre muy fríos al tacto debido a su effusivité térmico elevada.
A densidad y humedad igual, el bosque résineux es más conductor que el bosque feuillu. Más un bosque es denso y más es húmedo, más es conductor.
Conductividad térmica de los elementos a 27°C en W/cm K [5] :
| H | He | ||||||||||||||||
| Li 0,847 | Be 2 | B | C | N | O | F | No | ||||||||||
| Na 1,41 | Mg 1,56 | Al 2,37 | Si 1,48 | P | S | Cl | Ar | ||||||||||
| K 1,024 | Ca 2 | Sc 0,158 | Ti 0,219 | V 0,307 | Cr 0,937 | Mn 0,0782 | Fe 0,802 | Co 1 | Ni 0,907 | Cu 4,01 | Zn 1,16 | Ga 0,406 | Ge 0,599 | As | Se | Br | Kr |
| Rb 0,582 | Sr 0,353 | 0,172 | Zr 0,227 | Nb 0,537 | Mo 1,38 | Tc 0,506 | Ru 1,17 | Rh 1,5 | Pd 0,718 | Ag 4,29 | Cd 0,968 | In 0,816 | Sn 0,666 | Sb 0,243 | Te | I 0,45 | X |
| Cs 0,359 | Ba 0,184 | * | Hf 0,23 | Tu 0,575 | W 1,74 | Re 0,479 | Hueso 0,876 | Ir 1,47 | Pt 0,716 | Al 3,17 | Hg 0,0834 | Tl 0,461 | Pb 0,353 | Bi 0,0787 | Po 0,2 | At | Rn |
| Fr | Ra | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Uuq | Uup | Uuh | Uus | Uuo |
| * | La 0,134 | Este 0,113 | Pr 0,125 | Nd 0,165 | Pm 0,15 | Sm 0,133 | Tenido 0,139 | Gd 0,105 | Tb 0,111 | Dy 0,107 | Ho 0,162 | Er 0,145 | Tm 0,169 | Yb 0,385 | Leído 0,164 | ||
| ** | Ac | Th 0,54 | Pa | U 0,276 | Np 0,063 | Apacentado 0,0674 | Am | Cm | Bk | Cf | Estás | Fm | Md | No | Lr | ||
Evolución con la temperatura
La conductividad térmica evoluciona con la temperatura.
Para las sólidas, responde en la ley siguiente :
dónde
- λ0 es la conductividad térmica del matériau a 0 K
- Tiene es un coeficiente característico de cada matériau
- θ Es la temperatura en Kelvin
Tiene es positivo para los aislantes térmicos y negativos para los conductores térmicos.
Cuando la temperatura aumenta, un aislante pierde de su capacidad de isolation e inversamente un conductor pierde de su capacidad de conduction.
Atención : ecuación no valida para las elevadas temperaturas
Evolución con la humedad
Para los matériaux de construcción, es que corre de utilizar la relación siguiente :
dónde
- λ0 es la conductividad térmica del matériau seco
- H es la humedad relativa porcentual.
- e Representa la función exponentielle
Mide de la conductividad térmica
Mide en el estado estacionario
El principio de la determinación de la conductividad térmica de un matériau descansa sobre el vínculo entre el flujo de calor que atraviesa este matériau y el gradient de temperatura que genera. Es ilustrado sobre la figura siguiente :
Lo una de las extremidades de la muestra de sección TIENE es fijada en un dedo frío (baño térmico) cuyo rol es de evacuar el flujo térmico que atraviesa la muestra, y la extremidad opuesta a una chaufferette que disipa en la muestra una potencia eléctrica Q obtenida por efecto Joule, de manera a producir un gradient térmico que sigue la longitud de la muestra. De los thermocouples separados por una distancia L miden la diferencia de temperatura dT a lo largo de la muestra. Un tercero thermocouple, calibré, es fijado igualmente en la muestra para determinar su temperatura mediana (la temperatura de medida). La conductividad térmica es dada entonces por :
Si dT no es demasiado que importa (del orden de 1 °C), la conductividad térmica medida es aquella que corresponde en la temperatura mediana medida por el tercero thermocouple. El principio de la medida descansa entonces sobre la hipótesis que la totalidad del flujo de calor pasa por la muestra. La precisión de la medida depende pues de la capacidad a eliminar las pérdidas térmicas, que esto sea por conduction térmico por los hilos, convección por el gas residual, radiación por las superficies de la muestra o pérdidas en la chaufferette : la medida se efectúa pues en condiciones adiabáticas. Para asegurar la mejor precisión posible, la muestra cuya se desea medir la conductividad térmica es pues ubicado en un cuarto de medida bajo vacío (para minimizar la convección). Este cuarto es-envuelta incluso en varios escudos térmicos cuya temperatura es régulée (con el fin de minimizar los efectos radiatifs). Finalmente, los hilos de los thermocouples son escogidos de manera a conducir el menos posible el calor.
Etant Dado que es de tanto más difícil de minimizar las pérdidas térmicas que la temperatura aumenta, esta técnica no permite la medida de la conductividad térmica que a temperaturas inferiores a la temperatura ambiental (de 2 kelvins a 200 kelvins sin dificultades, y hasta 300 kelvins (27 °C) para los mejores aparatos de medida).
Mide por el método dicho « Láser Flash »
Para las temperaturas superiores en la temperatura ambiental, deviene cada vez más difícil de eliminar o de mantener cuenta de las pérdidas térmicas por radiación (condiciones adiabáticas), y la utilización de la técnica al estado estacionario presentada aquí-encima no es recomendada. Una solución es de medir la diffusivité térmica en lugar y lugar de la conductividad térmica. Estas dos magnitudes son en efecto ligado por la relación :
dónde
- λ(T) es la conductividad térmica en mW.cm-1.K-1
- Tiene(T) es la diffusivité térmica cm2.S-1
- D(T) es la masa específica en g.cm-3
- Cp(T) es el calor específico en J.G-1.K-1
Si se supone que la masa específica no varía con la temperatura, basta de medir la diffusivité térmica y el calor específico para obtener una medida de la conductividad térmica a elevada temperatura.
La figura siguiente schématise la appareillage utilizado para la medida de conductividad térmica por el método dicho « láser flash » :
Una muestra cylindrique cuya espesura d es claramente más débil que su diamètre es ubicado en una puerta-muestra que se encuentra adentro de un horno mantenido a temperatura constante. Una de sus caras es iluminada por de las pulses (del orden de la milliseconde) emitido por un láser, lo que asegura un chauffage uniforme de la cara antes. La temperatura de la cara posterior es medida, en funciones del tiempo, a la ayuda de un sensor de medida infrarouge. En la ausencia de pérdidas térmicas de la muestra, la temperatura tendría que aumentar de manera monótona. En una situación real, la enregistreur medirá un pic de temperatura seguida de un regreso a la temperatura del horno. El tiempo t necesaria para que la cara posterior alcance la mitad de la temperatura de pic (por informe en la temperatura del horno), permite determinar la diffusivité térmica siguiente :
Es entonces posible de calcular la conductividad térmica gracias a la masa específica y el calor específico.
La dificultad de esta técnica reside en la elección de los parámetros de medida optimums (potencia del láser y espesura de la muestra).
Normas y reglamentos
En Francia, han sido promulgadas de las normas sucesivas para incitar las bâtisseurs a una isolation térmica máxima de los edificios. Por ejemplo, la norma RT 2000 después la norma RT 2005.
Notas y referencias
- Handbook of Chemistry & Physics
- i Thermodynamique, fundamentos y aplicaciones, J.Ph. Pérez, TIENE.M. Rómulo, p155 edición Masson
- c Harris Benson. Físico 1 : mécanique. 3e edición. Ediciones del Renouveau Pédagogique, San Lorenzo, Quebec, 2004, p. 519.
- ↑ NBN B 62-002/TIENE1"
- ↑ () David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd., Conectado, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
Artículos connexes
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