La conductividad térmica de los materiales

Seguro habrás notado que, aunque cuentes con sistemas de climatización en tu hogar, hay ciertos elementos que pueden sentirse muy fríos o muy cálidos según el caso, lo cual se debe a la capacidad que poseen para transferir el calor a distintas tasas, conocido como conductividad térmica de los materiales.

En Inditer somos una empresa líder en la industria de intercambiadores térmicos, con más de una década de experiencia en el sector, brindando soluciones a la medida de las necesidades de nuestros clientes. En este artículo te presentamos toda la información necesaria sobre la conductividad térmica.

¿Qué es la conductividad térmica?

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide su capacidad para conducir el calor. Se refiere a la capacidad de una sustancia para transmitir la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes.

• Es una magnitud intensiva que está inversamente relacionada con la resistividad térmica, que es la resistencia de ciertos materiales a la transmisión del calor por sus moléculas.
• La conductividad térmica varía según el tipo de material. En el caso de los metales, la transmisibilidad de los materiales se debe principalmente a los electrones libres, y en metales puros, la resistividad eléctrica a menudo aumenta proporcionalmente a la temperatura, lo que hace que la conductividad térmica se mantenga aproximadamente constante.
• En aleaciones, el cambio en la conductividad eléctrica suele ser menor, lo que hace que la conductividad térmica aumente con la temperatura.
• La conductividad térmica se mide en vatios por metro kelvin (W/(mK)) en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Esta unidad representa la cantidad de calor necesaria para que, en un metro de material homogéneo, se produzca una diferencia de temperatura de 1 grado Celsius entre las dos caras del material.

¿Qué es la conductividad térmica de los materiales?

La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide su capacidad de conducción de calor. En otras palabras, es la capacidad de una sustancia para transferir la energía cinética de sus moléculas a otras sustancias adyacentes o en contacto con ella.

Estos son algunos de los aspectos más destacables que debes conocer en torno a la conductividad térmica de los materiales:

1. En los sólidos metálicos, el calor se conduce a través de los electrones libres que se mueven en la estructura del metal. En todos los sólidos, incluyendo los metálicos, el calor se conduce mediante la transmisión de energía vibratoria de los átomos adyacentes.
2. Los sólidos no metálicos, como los polímeros, tienen baja conductividad térmica y son aislantes. La conductividad térmica se mide en vatios por metro kelvin (W/(mK)) y varía de acuerdo al tipo de material.
3. Los metales suelen tener alta conductividad térmica, mientras que los polímeros tienen baja conductividad térmica.
4. Los metales se sienten más fríos en el invierno y más calientes en el verano debido a su capacidad de conducción térmica.
   • Los metales son buenos conductores de calor, lo que significa que pueden transferir calor rápidamente.
   • Cuando tocamos un metal en invierno, el calor de nuestro cuerpo se transfiere rápidamente al metal, lo que nos hace sentir que el metal está más frío. Por otro lado, en verano, el metal absorbe el calor del ambiente más rápidamente, lo que nos hace sentir que está más caliente.
5. En contraste, la madera es un mal conductor de calor. Conserva el calor de nuestro cuerpo y no lo transfiere tan rápidamente como los metales. Por lo tanto, cuando tocamos madera en invierno, no sentimos la misma sensación de frío que al tocar un metal.
6. La diferencia en la sensación de temperatura al tocar metales y madera en diferentes estaciones se debe a la capacidad de los metales para transferir calor rápidamente y la capacidad de la madera para retener el calor.

Características de la conductividad térmica

Entre las características de la conductividad térmica de los materiales, destacan las siguientes:

• La conductividad térmica es una propiedad inherente de cada material y varía de acuerdo a su composición y estructura.
• Los metales suelen tener alta conductividad térmica debido a la presencia de electrones libres que pueden transportar calor.
• Los materiales no metálicos, como los polímeros, suelen tener baja conductividad térmica y actúan como aislantes.
• La conductividad térmica puede verse afectada por la temperatura. En metales puros, la resistencia eléctrica a menudo aumenta proporcionalmente a la temperatura, lo que hace que la conductividad térmica se mantenga aproximadamente constante. En aleaciones, el cambio en la conductividad eléctrica es menor y la conductividad térmica tiende a aumentar con la temperatura.
• La conductividad térmica también puede verse influenciada por la presencia de defectos en la estructura del material, como dislocaciones o vacancias.

Es importante tener en consideración que la conductividad térmica es una propiedad específica de cada material y puede ser utilizada para seleccionar materiales adecuados en aplicaciones donde se requiere una transferencia eficiente de calor.

¿Cómo conocer la conductividad térmica de los materiales?

La conductividad térmica de los materiales se puede determinar mediante diferentes métodos de medición. Uno de los métodos más comunes es la medición del tiempo de transferencia de una cantidad conocida de calor a través de una lámina del material en cuestión. Este método permite calcular el coeficiente de conductividad térmica del material.

Es importante tener en cuenta que la transmisibilidad de los materiales puede variar conforme a la temperatura a la que se realiza la medición. Por lo general, las mediciones se realizan a una temperatura estándar de 300K para poder comparar diferentes materiales.

La conductividad térmica también puede depender de otros factores, como la presión, la naturaleza de la sustancia, la geometría y el área de la superficie. Además, los cambios de fase del material pueden afectar su conductividad térmica.

Beneficios de la conductividad térmica

La conductividad térmica de los materiales tiene varios beneficios en la industria, entre los que podemos destacar:

1. Transferencia eficiente de calor

Los materiales con alta conductividad térmica permiten una transferencia rápida y eficiente de calor, lo cual es especialmente importante en aplicaciones donde se requiere disipar el calor generado por equipos o procesos industriales.

Por ejemplo, en la refrigeración de motores, la conductividad térmica de los materiales utilizados en los disipadores de calor ayuda a transferir el calor de manera efectiva y mantener la temperatura bajo control.

2. Mejora de la eficiencia energética

Al utilizar materiales con alta conductividad térmica en la construcción de sistemas de aislamiento térmico, se puede reducir la pérdida de calor o frío. Esto ayuda a mejorar la eficiencia energética de los edificios y reducir la necesidad de utilizar sistemas de calefacción o refrigeración de manera intensiva.

3. Diseño de intercambiadores de calor

Los materiales con alta conductividad térmica son utilizados en la fabricación de intercambiadores de calor, que son componentes clave en muchos procesos industriales.

Estos intercambiadores permiten transferir calor de un fluido a otro de manera eficiente, lo que es fundamental en aplicaciones como la refrigeración de equipos, la generación de energía y la producción de alimentos.

4. Optimización de procesos industriales

Por otra parte, la conductividad térmica de los materiales también cumple un rol importante en la optimización de procesos industriales. Por ejemplo, en la industria química, la conductividad térmica de los materiales utilizados en los reactores y los intercambiadores de calor ayuda a controlar la temperatura de las reacciones y mejorar la eficiencia de los procesos.

Conductividad térmica del cobre

La conductividad térmica del cobre es alta, lo que significa que es un excelente conductor de calor. El cobre tiene una conductividad térmica de aproximadamente 372,1-385,2 W/(mK) Esto lo convierte en uno de los metales con mayor conductividad térmica, después de la plata.

La alta conductividad térmica del cobre tiene diversos beneficios en la industria:

• Transferencia eficiente de calor: El cobre se utiliza en aplicaciones donde se requiere una transferencia rápida y eficiente de calor. Por ejemplo, en sistemas de refrigeración, el cobre se utiliza en tuberías y serpentinas para transferir el calor de manera efectiva y mantener la temperatura bajo control.
• Intercambiadores de calor: El cobre es ampliamente utilizado en la fabricación de intercambiadores de calor debido a su alta conductividad térmica. Estos intercambiadores permiten transferir calor de un fluido a otro de manera eficiente, lo que es esencial en aplicaciones como la refrigeración industrial, la generación de energía y la climatización.
• Conductores eléctricos: Además de su alta conductividad térmica, el cobre también es un excelente conductor eléctrico. Esto lo convierte en el material preferido para cables y alambres conductores en aplicaciones eléctricas y electrónicas. La alta conductividad térmica del cobre también ayuda a disipar el calor generado por la corriente eléctrica.
• Durabilidad y resistencia: El cobre es un metal duradero y resistente, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones industriales. Su alta conductividad térmica se mantiene incluso en condiciones extremas, lo que lo convierte en una opción confiable para aplicaciones de alta temperatura.

Conductividad térmica del aluminio

La conductividad térmica del aluminio es alta y varía entre 80 y 230 W/mK. Esta propiedad hace que el aluminio sea un excelente conductor de calor. De hecho, su conductividad térmica es superada solamente por el cobre en los metales comunes.

La alta conductividad térmica del aluminio ofrece diversas aplicaciones y beneficios en la industria:

• Intercambiadores de calor: El aluminio se utiliza en la fabricación de intercambiadores de calor debido a su capacidad para transferir calor de manera eficiente. Estos intercambiadores se utilizan en diversas industrias, como la química, alimentaria y aeronáutica, para facilitar la transferencia de calor entre diferentes medios.
• Utensilios de cocina: El aluminio se utiliza ampliamente en la producción de utensilios de cocina debido a su alta conductividad térmica. Esto permite una distribución uniforme del calor durante la cocción, lo que resulta en una cocción más rápida y eficiente.
• Aplicaciones de calefacción y refrigeración: Debido a su alta conductividad térmica, el aluminio se utiliza en aplicaciones de calefacción y refrigeración, como radiadores y sistemas de climatización. El aluminio permite una transferencia eficiente de calor, lo que contribuye a un mejor rendimiento y eficiencia energética.
• Conductores eléctricos: Además de su alta conductividad térmica, el aluminio también tiene una buena conductividad eléctrica. Por lo tanto, se utiliza en aplicaciones donde se requiere una buena conducción eléctrica, como cables y alambres conductores.

Conductividad térmica de la plata

La conductividad térmica de la plata es muy alta. De todos los materiales conocidos, la plata es el mejor conductor de calor, superando incluso al cobre, que ocupa el segundo lugar. Sin embargo, su uso como material eléctrico es limitado debido a su alto coste.

• La plata se utiliza en aplicaciones donde se requiere una alta conductividad térmica, como en fusibles para cortocircuitos eléctricos, contactos de relevadores o interruptores de baja intensidad, e instrumentos eléctricos de medicina como el termocauterio.
• En comparación con otros metales, la plata tiene una conductividad térmica excepcionalmente alta. Por ejemplo, la plata tiene una conductividad térmica aproximadamente cinco veces mayor que la del hierro. También es importante destacar que el diamante es un material aún mejor conductor térmico que la plata.

Conductividad térmica del oro

La conductividad térmica del oro es de aproximadamente 318 vatios/metro Kelvin a temperatura ambiente. Esto significa que el oro tiene una buena capacidad para conducir el calor.

• La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para transmitir el calor. En el caso del oro, su estructura molecular y la presencia de electrones libres contribuyen a su alta conductividad térmica.
• Es importante destacar que el oro tiene una conductividad térmica superior a la mayoría de los otros elementos. Solo el cobre y la plata tienen una conductividad térmica eléctrica más alta que el oro en la tabla periódica.

En Inditer utilizamos materiales de conductividad térmica como parte de nuestros intercambiadores de calor, los cuales son dispositivos que transfieren calor de un líquido a otro, ya sea para aumentar o disminuir la temperatura. Estos intercambiadores pueden utilizar placas o tubos para permitir el intercambio térmico sin mezclar los líquidos, elaborados en materiales como el cobre o el aluminio.