Conductivitat tèrmica

Archiu:Aerogel matches.jpg

Conductivitat tèrmica

Ilustració que compara la conductivitat tèrmica de distints materials, mostrant que els metals transmeten la calor més ràpidament des de la mà, provocant una major pèrdua de calor i fent que es perceben més frets que materials aïllants com el plàstic.

Comparació de la conductivitat tèrmica entre metals i plàstic.

La conductivitat tèrmica és una propietat física dels materials que medix la capacitat de conducció de calor. En atres paraules, la conductivitat tèrmica és també la capacitat d'una substància per a transferir l'energia cinètica de les seues molècules a atres adjacents o a substàncies en les que està en contacte. En els sòlits metàlics, la calor de la mateixa manera que l'electricitat, és conduït pels electrons lliures que es mouen en la ret estructural del metal. En tots els sòlits, inclús en els metàlics, la calor es conduïx per mig de la transmissió d'energia vibratoria dels àtoms adjacent. Els sòlits no metàlics són aïllants per la seua baixa conductivitat tèrmica. En el Sistema Internacional d'Unitats, la conductivitat tèrmica es medix en W/(m·K) (equivalent a J/(m·s·K))

La conductivitat tèrmica (a sovint representada com a k, λ, o κ) és la capacitat intrínseca d'un material per a conduir calor. És un dels tres métodos de transferència de calor, sent els atres dos: convecció i radiació. Els processos de transferència de calor poden quantificar-se en térmens de les equacions de velocitat corresponents. L'equació de velocitat en este modo de transferència de calor està basada en la llei de Fourier de conducció de temperatures altes.

La conductivitat tèrmica és una magnitut intensiva perque no depén de la massa i en dividir la porció de matèria en menuts péntols les seues propietats no són aditivas. La seua magnitut inversa és la resistividad tèrmica, que és la capacitat dels materials per a opondre's al pas de la calor. Per a un material isótropo (les seues propietats no canvien en la direcció) la conductivitat tèrmica és un escalar:

a on:

___MATH_0___, és el fluix de calor (per unitat de temps i unitat d'àrea). És un camp escalar per lo que les equacions de variació de temperatura no són tan complexes.

___MATH_1___, és el gradient de temperatura.

Una conductivitat tèrmica de 1 vat per metro i kelvin indica que una cantitat de calor d'un juliol (J) es propaga a través d'un material per conducció tèrmica:

• en 1 s
• per una superfície de 1 m²
• per una gruixa de 1 m que és la separació entre les dos capes.
• quan la diferència de temperatures entre les dos cares és de 1 K.

Quant major siga la seua conductivitat tèrmica, un material serà millor conductor de la calor. Quant menor siga, el material serà més aïllant. Per eixemple, el coure té una conductivitat de 385 vats per kelvin i metro, i és més de 10 000 voltes millor conductor de la calor que el poliuretano (0,035 vats per kelvin i metro).

Analogia en els demés fenomens de transport

Aixina com la viscosidad en el transport de cantitat de moviment indica el grau de resistència entre el moviment de les capes de decorregut; la difusividad en el transport de massa indica el grau de resistència al moviment molecular de substàncies en una determinada; la conductivitat tèrmica indica la resistència a la transferència de calor entre dos capes a diferents temperatures.

Orige molecular de la conductivitat

Quan es calfa la matèria l'energia cinètica promig de les seues molècules aumenta. La conducció de calor molecular es descriu a partir de la llei de Fourier i la conducció de calor macroscòpica es descriu sense tindre en conte els fenomens a nivell molecular més be per un balanç d'energia. Per tant la conducció tèrmica diferix de la convecció tèrmica en el fet de que en la primera no existixen moviments macroscòpics de matèria, que sí ocorren en el segon fenomen. Tots els sòlits i els decorreguts en fluix laminar tenen la possibilitat de transferir calor per mig de conducció tèrmica, mentres que la convecció tèrmica en general solament resulta possible en decorreguts en fluix turbulento. La conducció canvia depenent de si són gasos, líquits o sòlits. Si són gasos, les molècules posseïxen un moviment desordenat i continu i choquen entre sí intercanviant energia i moment llineal. Si una molècula es desplaça des d'una zona de major temperatura a una atra de menor temperatura, ho fa en llínea recta i transferix l'energia cinètica a estes atres que posseïxen menor energia cinètica. Esta transferència és major quan les molècules són chicotetes com les d'hidrogen, si la transferència es medira per mig de la velocitat de transferència de calor. La conductivitat tèrmica aumenta aproximadament segons la raïl quadrada de la temperatura absoluta i és independent de la pressió a baixes atmòsfera (menor a 10 atm). Quan la pressió és molt baixa buit llavors la conductivitat tendix a zero perque les molècules cessen el moviment que els permet la transferència. Per a líquits, les molècules estan més juntes entre sí i els camps de forces intermoleculars són majors per lo que la teoria cinètica ya no és aplicable. Per este motiu, es varen obtindre correlació per mig de models que es varen ajustar a senyes experimentals per mig de métodos semi-empírics. La conductivitat tèrmica varia de manera moderada en la temperatura, és dir que pot expressar-se de manera llineal: K=a+bT a on a i b són constants empíriques. "a" és la conductivitat tèrmica a una temperatura de referència i "b" és el coeficient de conductivitat tèrmica que contempla la variació de la conductivitat sobre la conductivitat a la temperatura de referència. Si la variació en la temperatura és chicoteta llavors es pot considerar constant en eixe ranc de temperatura. Açò ocorre també per a la densitat i la calor específica. Les conductivitat tèrmiques dels líquits són independents de la pressió. Per a aliments que són mescles de substàncies simples, les propietats de mescla són una ponderació de les propietats de les substàncies simples, en esta secció no es discutix açò. Per als sòlits metàlics i no metàlics ya es va comentar en el principi.