Conducción de calor 1

Conducción de calor

El segundo principio de la termodinámicadetermina que el calor sólo puede fluir de uncuerpo más caliente a uno más frío, la ley de

Fourier fija cuantitativamente la relación entre elflujo y las variaciones espacial y temporal de la

temperatura.

La conducción de calor o transmisión de calor por conducción esun proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entrelos cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desdeun cuerpo a mayor temperatura a otro a menor temperatura que está encontacto con el primero. La propiedad física de los materiales quedetermina su capacidad para conducir el calor es la conductividadtérmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es laresistividad térmica, que es la capacidad de los materiales paraoponerse al paso del calor.

La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entrediferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna,que es una combinación de la energía cinética y energía potencial desus partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. Laconductividad térmica de la materia depende de su estructuramicroscópica: en un fluido se debe principalmente a colisionesaleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio deelectrones libres (principalmente en metales) o de los modos devibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materialesno metálicos).

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional alárea perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y esinversamente proporcional al espesor:

donde:

es la calor transmitido por unidad de tiempo.

(o ) es la conductividad térmica.es el área de la superficie de contacto.

es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frio.es el espesor del material.

Procesos de transferencia de calorEl calor se transfiere por medio de alguno de los siguientes procesos:• Conducción: transmisión de calor por contacto sin transferencia de materia.• Convección: transmisión de calor por la transferencia de la propia materia portadora del calor.• radiación: transmisión de energía por medio de la emisión de ondas electromagnéticas o fotones.La transferencia de energía térmica o calor entre dos cuerpos diferentes por conducción o convección requiere el contacto directo de las moléculas de diferentes cuerpos, y se diferencian en que en la primera no hay movimiento macroscópico de materia mientras que en la segunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción y la convección son los mecanismos principales en la "materia fría", ya que la transferencia de energía térmica por radiación sólo representa una parte minúscula de la energía transferida. La transferencia de energía por radiación

Conducción de calor 2

aumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4), siendo sólo una parte importante a partir de temperaturassuperiores a varios miles de kelvin.Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente elcalor aumentan su vibración y chocan con las que las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hastaque todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con unaflama, transcurre cierto tiempo hasta que el calor llega al otro extremo. El calor no se transmite con la mismafacilidad por todos los cuerpos. Existen los denominados "buenos conductores del calor", que son aquellosmateriales que permiten el paso del calor a través de ellos. Los "malos conductores o aislantes" son los que oponenmucha resistencia al paso de calor..

Ley de FourierLa conducción térmica está determinada por la ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor porconducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección.De forma vectorial:

donde:: es el vector de flujo de calor por unidad de area (W m-2).: es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1 K-1).

: es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material ( K m-1).De forma integral, el calor que atraviesa una superficie S por unidad de tiempo viene dado por la expresión:

El caso más general de la ecuación de conducción, expresada en forma diferencial, refleja el balance entre el flujoneto de calor, el calor generado y el calor almacenado en el material

donde:

: es la difusividad térmica,

: es el operador laplaciano del campo de temperatura, que mide el flujo neto de calor,

: es el calor generado por unidad de volumen,: es la densidad del material,

: es el calor específico del material,

: es la variación de temperatura con el tiempo.

La ecuación de conducción, que es un caso particular de la ecuación de Poisson, se obtiene por aplicación delprincipio de conservación de la energía.

Conducción de calor 3

Conductividad térmicaLa conductividad térmica es una propiedad intrínseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor através de ellos. El valor de la conductividad varía en función de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, porlo que suelen hacerse las mediciones a 300 K con el objeto de poder comparar unos elementos con otros.Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos latransferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja enalgunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que existaconducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde seha practicado un vacío elevado.En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales dealta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo elcontrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividadtérmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.

Coeficientes λ para distintos materiales

Material λ Material λ Material λ

Acero 47-58 Corcho 0,04-0,30 Mercurio 83,7

Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35

Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,07 Níquel 52,3

Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2

Alpaca 29,1 Hierro 80,2 Parafina 0,21

Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7

Amianto 0,04 Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo 35,0

Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0

Zinc 106-140 Litio 301,2

Cobre 372,1-385,2 Madera 0,13

La tabla que se muestra a la derecha de este texto se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir elcalor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidadde superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entresus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. Laconductividad térmica se expresa en unidades de W/m·K (J/s · m · °C).La conductividad térmica también puede expresarse en unidades de British thermal units por hora por pie por gradoFahrenheit (Btu/h·ft·°F). Estas unidades pueden transformarse a W/m·K empleando el siguiente factor de conversión:1 Btu/h·ft·°F = 1,731 W/m·K.

Conducción de calor 4

Referencias

Notas

Bibliografía• Lestina, Thomas; Serth, Robert W. (2010). Process Heat Transfer: Principles, Applications and Rules of Thumb.

Academic Press.• Jiji, Latif M. (2009). Heat Conduction. Springer.• Kreith, Frank; Manglik, Raj M.; Bohn, Mark S. (2010). Principles of Heat Transfer. Cengage Learning.

Enlaces externos• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Conducción de calor. Commons

Fuentes y contribuyentes del artículo 5

Fuentes y contribuyentes del artículoConducción de calor  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=71996502  Contribuyentes: 3coma14, Abajo estaba el pez, Acratta, AeroPsico, Anonimosanhueza, Antur, AstroNomo,Balderai, Balles2601, Cobalttempest, Cookie, Cvmontuy, Damifb, Davius, Dianai, Diegusjaimes, Digigalos, Draxtreme, Echani, Edmenb, Eduardosalg, El carrera, Elías, Enalcahe, Froco, Ingolll,Isha, J. A. Gélvez, Javierito92, Jfayads, Jkbw, Jmcalderon, Jorge c2010, Joseaperez, Joselarrucea, Juan Carlos Sánchez Rivero, Kaprak, Manwë, MarcoAurelio, Matdrodes, Miguel angel perez olak ase, Moriel, Muro de Aguas, Nahueli1989, Nethac DIU, Nicop, Orlando0404, Ortisa, Petruss, Pólux, Rafaelkelvin, Ravave, RichardOrton26, Sanbec, Sauron, Savh, SuperBraulio13, Tano4595,Technopat, Thunderbird2, Torbellino, Tortillovsky, Travelour, UA31, Urdangaray, Uruk, XalD, Xenoforme, 236 ediciones anónimas

Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentesArchivo:Linear Heat flow.svg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Linear_Heat_flow.svg  Licencia: Public Domain  Contribuyentes: TootoArchivo:Commons-logo.svg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Commons-logo.svg  Licencia: logo  Contribuyentes: SVG version was created by User:Grunt andcleaned up by 3247, based on the earlier PNG version, created by Reidab.

LicenciaCreative Commons Attribution-Share Alike 3.0//creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/