Las fuerzas que hay detrás de la conductividad térmica y cómo se aplica
La transferencia de calor es una de las principales fuerzas físicas que impulsan todas las reacciones en este planeta. Regida por las leyes de la termodinámica, la transferencia de calor permite utilizar y aplicar la energía para alimentar innumerables sistemas cotidianos. El mecanismo de la transferencia de calor se explica por la primera ley de la termodinámica. Esta ley establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo transferirse entre sistemas. Inevitablemente, cuando la energía se transfiere entre dos sistemas, una parte se pierde en el entorno. Esta pérdida de energía se produce en forma de calor y también puede denominarse energía térmica. La energía térmica contenida en un sistema es la responsable de la temperatura del entorno.
Métodos de transferencia de calor
Hay tres métodos que facilitan la transferencia de calor. Estos métodos se conocen como conducción, convección y radiación.
La radiación transfiere el calor utilizando ondas electromagnéticas y no implica ninguna interacción entre la materia. El calor que proviene del sol es un ejemplo de radiación.
La convección se produce en líquidos y gases y describe el movimiento del calor de un lugar a otro facilitado por el movimiento de los fluidos. Cuando se calientan, los fluidos se expanden y se vuelven menos densos. El fluido caliente se eleva y desplaza al fluido frío situado encima empujándolo hacia la fuente de calor. Este fluido frío se calentará y subirá hacia arriba creando un flujo constante de fluido desde una zona de alto calor a otra de bajo calor. La convección explica cómo los radiadores de zócalo pueden calentar toda una habitación. El aire caliente generado por los radiadores fluye rápidamente hacia arriba empujando el aire frío hacia el calentador del suelo creando un flujo de aire constante.
La transferencia de calor por conducción implica la transferencia de calor entre dos materiales por contacto superficial. No se intercambia materia entre los materiales, sólo energía. Este tipo de transferencia de calor se produce en los materiales sólidos y es causada por las vibraciones de las partículas. Cuando se exponen a un flujo de energía, las partículas de un sólido comienzan a agitarse, girar y vibrar creando energía cinética. Un ejemplo común de conducción es el proceso de calentar una sartén en una estufa. El calor del quemador se transfiere directamente a la superficie de la sartén. La temperatura es una medida de la cantidad de energía cinética procesada por las partículas de una muestra de materia. Cuanta más energía cinética tenga un material, mayor será su temperatura interna.
Figura 1: Diagrama de los mecanismos de transferencia de calor
Transferencia de calor en los metales
La materia con alta energía cinética también tendrá una alta conductividad térmica. La conductividad térmica describe la eficiencia con la que un material puede pasar el calor a través de él. Se define por la tasa de flujo de energía por unidad de superficie cuando se compara con un gradiente de temperatura. La mayoría de los valores de conductividad se expresan en vatios por metro por grados Kelvin W/m-K.
La conductividad térmica explica por qué caminar descalzo sobre un suelo de baldosas frío se siente mucho más fresco que caminar sobre una alfombra aunque ambos estén a temperatura ambiente. Las baldosas y las rocas tienen una mayor conductividad térmica que las alfombras y los tejidos, por lo que pueden transferir el calor fuera de un pie a una velocidad mucho más rápida, haciendo que las baldosas parezcan frías al tacto.
Los metales son un ejemplo de un material con una alta conductividad térmica que puede transferir rápidamente el calor. La estructura interna de una molécula de metal contiene electrones libres que pueden moverse libremente a través de la masa del material. Estos electrones libres chocan rápidamente con otras partículas, lo que hace que la estructura interna de un metal vibre más rápidamente y se caliente más rápido. Estas rápidas vibraciones promueven el flujo de energía y calor en todo el metal.
Metales como el cobre, el aluminio y la plata se utilizan con frecuencia para fabricar aparatos y herramientas térmicas. Las tuberías de cobre son cables extremadamente populares para usar dentro de una casa para transferir energía y calor rápidamente de un área a otra. El aluminio tiene unas propiedades térmicas muy similares a las del cobre y suele utilizarse como sustituto económico para realizar las mismas funciones. La plata es uno de los metales más utilizados para aplicaciones térmicas. Más del 35% de toda la plata producida en Estados Unidos se fabrica para usos electrónicos o eléctricos. La demanda de plata sigue creciendo, ya que se está convirtiendo en un componente crucial en la producción de paneles solares. Otros materiales altamente conductores del calor, como el diamante, también tienen muchas aplicaciones prácticas. El polvo de diamante se utiliza a menudo en la electrónica para transferir el calor lejos de las zonas sensibles para protegerlas del sobrecalentamiento.
Figura 2: Paneles solares estándar que se fabrican frecuentemente con plata
Transferencia de calor en los no metales
Los materiales no metálicos se basan en los fonones para transferir el calor a lo largo de un gradiente desde una zona fría a una zona caliente. Los plásticos, las espumas y la madera son ejemplos de materiales con pobres valores de conductividad térmica. Estos materiales se conocen como aislantes y pueden restringir el flujo de calor. Los aislantes tienen numerosas aplicaciones extremadamente útiles que pueden evitar que la energía se pierda en el medio ambiente. La espuma es un material aislante extremadamente útil para el hogar y la construcción. Más del 50% de toda la energía doméstica se utiliza para calentar o enfriar una casa. El uso de un material con una alta conductividad térmica para aislar una casa puede reducir sustancialmente la cantidad de energía necesaria para calentar o enfriar un edificio. Los precios de la energía aumentan continuamente en todo el mundo, por lo que es ideal conservar la mayor cantidad de energía y calor posible para reducir las facturas de electricidad.
Conclusión
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales extremadamente importante que permite que miles de sistemas de producción funcionen de forma adecuada y eficiente. El calor se intercambia constantemente dentro de cada ecosistema en forma de energía perdida. El aprovechamiento de la energía térmica para procesos industriales y prácticos ha creado excelentes tecnologías de ahorro de energía que se utilizan a diario. La conducción, la radiación y la convección son las diferentes formas en que el calor puede moverse a través de un sistema. La estructura, la densidad y la composición del material son factores que pueden influir en la conductividad térmica de una muestra. Los materiales con valores de conductividad térmica altos o bajos se utilizan para una gran variedad de aplicaciones cotidianas. Aunque se subestima mucho, la vida no sería lo mismo sin la transferencia de calor y el intercambio térmico.
Autor: Kallista Wilson | Escritor técnico junior | Thermtest