La conductividad térmica mide la capacidad de los materiales para permitir que el calor pase a través de ella a través de la conductancia. La conductividad térmica de un material como el metal depende en gran medida de su composición y estructura.
Los metales son típicamente conocidos por ser conductores térmicos altamente eficientes.
Este artículo explorará los mecanismos de transferencia de calor, lo que hace que los metales sean conductores térmicos ideales y los usos de metales comunes & aleaciones.
La importancia de la Conductividad Térmica en la vida Cotidiana
Imagen 1. A
Imagen 1. B
Imagen 1. A y B muestran ilustraciones visuales de individuos en la cocina haciendo uso de suministros de cocina.
La cocina es parte de la vida cotidiana de la mayoría de las personas. Por lo tanto, los aparatos de cocina están diseñados con el incentivo de garantizar la máxima seguridad y eficiencia. Esto requiere una comprensión de la física térmica. Hay una razón por la que el elemento calefactor de una tostadora generalmente está hecho de cables de nicrom, las cucharas de mezcla tienden a ser de madera y la construcción de material de los guantes de horno nunca involucraría un compuesto metálico.
Definición de temperatura& Conducción térmica
Es necesario recordar la definición de temperatura para comprender matemáticamente la conducción térmica.
Definición operativa de T:
La definición operativa de temperatura es el valor medido con un termómetro que simplemente mide la expansión del volumen de mercurio.
Imagen 2. Ilustración de dos termómetros en unidades Celsius y Fahrenheit
Definición física de T:
En física térmica, la temperatura y la conducción térmica se entienden a través del estudio del movimiento de moléculas.
Schroeder, el autor de «Introducción a la Física Térmica», describe la temperatura matemáticamente como:
donde:
S=entropía,
U=energía,
N=número de partículas,
V=volumen del sistema (Schroeder, 2007).
Por lo tanto, la temperatura de un sistema depende de la entropía y la energía cuando el número de partículas y el volumen de un sistema se mantienen constantes.
Schroeder afirma en palabras: «La temperatura es una medida de la tendencia de un objeto a ceder energía espontáneamente a su entorno. Cuando dos objetos están en contacto térmico, el que tiende a perder energía espontáneamente se encuentra a la temperatura más alta » (Schroeder, 2007). Esto se debe a que los dos objetos en contacto tratarán de alcanzar el equilibrio térmico; se convertirán en la misma temperatura.
Para visualizar la temperatura y la conducción térmica a nivel microscópico se muestran a continuación las figuras 1 A y B. Imagine que un objeto desconocido A y B están en contacto físico el uno con el otro. El objeto A tiene una temperatura más alta que el objeto B. ¿Qué pasará con la temperatura durante un período de tiempo?
Figura 1. A
Figura 1.B
Figura 1.A ilustra dos objetos desconocidos en contacto físico entre sí, y Figura 1.B muestra las moléculas de los objetos.
At t0, TA > TB
At t1, TA > TB
At tn, TA = TB
At t0, ŝA > ŝB
At t1, ŝA > ŝB
At tn, ŝA > ŝB
Given that tn: a point in time, TA: temperature of object A, TB: temperature of object B, ŝA: average speed of A particle, ŝB: average speed of B particle.
En t0, los átomos del objeto A se mueven a una velocidad más rápida, y los átomos del objeto B se mueven a una velocidad más lenta (TA > TB). Con el tiempo, el objeto A pierde energía y el objeto B gana energía hasta que alcanzan la misma temperatura (TA = TB) y alcanzan el equilibrio térmico. Esta es la conducción térmica descrita a nivel molecular. Los átomos más cercanos del objeto A chocan con los átomos del objeto B. Los átomos del objeto B que tuvieron la interacción inicial con los átomos del objeto A chocan con más átomos del objeto B hasta que la energía se transfiere a través de todos los átomos del objeto B.
Schroeder define la Conducción térmica como» transferencia de calor por contacto molecular: moléculas de movimiento rápido chocan con moléculas de movimiento lento, renunciando a parte de su energía en el proceso » (Schroeder, 2007).
Modos de transferencia de calor para Metales
Es valioso recordar los tres modos de transferencia de calor; convección para gases/líquidos, radiación para objetos separados por espacio vacío y conducción para objetos en contacto directo.
La conducción térmica también se divide en tres categorías: colisiones moleculares para formas gaseosas / líquidas, vibraciones de celosía para sólidos y electrones de conducción para metales, como se muestra en la Figura 2. debajo.
Figura 2. Modos de Transferencia de Calor.
La conducción térmica de metales incluirá colisiones moleculares + electrones de conducción para metales en estado gaseoso, y vibraciones de red + electrones conductores para metales en estado sólido. Los electrones de conducción son esencialmente lo que hace de un metal un conductor increíble. Antes de explicar qué es realmente un electrón de conducción, es esencial recordar la definición de metal.
Definición de metales
Todos los elementos se pueden encontrar debajo de la tabla periódica, incluidos Metales, No metales y Metaloides. Los metales se definen como» elementos que forman iones positivos al perder electrones durante reacciones químicas » (Blaber, 2015).
Figura 3. Tabla periódica que muestra todos los elementos clasificados en Metales, No metales y Metaloides.
Tabla 1. Lista de propiedades físicas típicas de los metales.
Sólidas a temperatura ambiente
disco Duro
de Alta densidad
Alto Punto de Fusión
Alto Punto de Ebullición
Maleable
Dúctil
Brillante
¿Qué Hace que los Metales Buenos Conductores Térmicos?
Lo que hace de un metal un buen conductor térmico son los electrones de conducción de flujo libre.
Figura 4. Un bloque de metal que se calienta mostrando los átomos y los electrones que fluyen libremente.
Los átomos metálicos desprenden electrones de valencia cuando reaccionan químicamente con átomos no metálicos, por ejemplo, formando óxidos y sales. Por lo tanto, los iones metálicos son cationes en una solución acuosa. Lo que hace que los metales y las aleaciones de metales sean buenos conductores es la unión metálica especial. En los sólidos metálicos, los átomos unidos comparten sus electrones de valencia, formando un mar de electrones de conducción en movimiento libre que transportan tanto calor como carga eléctrica. Por lo tanto, a diferencia de, por ejemplo, los electrones en enlaces covalentes, los electrones de valencia en un metal pueden fluir libremente a través de las latices metálicas, transportando calor de manera eficiente sin estar bloqueados a un núcleo atómico individual.
El modelado matemático del Valor de Conductividad Térmica (k)
La conductividad térmica (k) mide la capacidad de una entidad para conducir calor (Q).
Valor k alto: Alta conductividad térmica
Figura 4. Una lámina de material con la ecuación de conductividad térmica.
Dado que:
k = conductividad térmica (W/m•K),
ΔQ = transferencia de energía (Joules/segundo),
Dt = cambio en el tiempo (segundos),
DT = gradiente de temperatura (K),
a = área de la conductividad térmica(m2),
Δx = espesor del material.
Valores de conductividad térmica para Metales y aleaciones
Las siguientes tablas muestran la conductividad térmica para una selección de metales y aleaciones a temperatura ambiente.
Cuadro 2. Lista de propiedades físicas típicas de los metales.
| Metals | Thermal Conductivity at Room Temperature (W/m•K) |
|---|---|
| Aluminum | 226 |
| Aluminum alloy (Al Mg 2.5-5.0) | 125 |
| Carbon Steel | 71 |
| Magnesium | 151 |
| Brass (Yellow) | 117 |
| Bronze (Aluminum) | 71 |
| Copper | 397 |
| Iron | 72 |
| Stainless steel (446) | 23 |
| Steel alloy 8620 (cast) | 46 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Tungsten | 197 |
| Lead | 34 |
| Nickel | 88 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Zinc | 112 |
| Titanium | 21 |
| Tin | 62 |
Note: Copper and Aluminum have the highest thermal conductivity value (k). Check our material database.
Usos de metales comunes & Las aleaciones de la tabla anterior
Los metales y aleaciones (materiales hechos de una combinación de metales) tienen usos como materiales de construcción en diferentes industrias, como electrónica, ingeniería, equipos de laboratorio, dispositivos médicos, productos domésticos y construcción.
El valor de conductividad térmica más alto para metales se encuentra en la Plata (-429 W/m•K), el Cobre (-398 W/m•K) y el Oro (-315 W/m•K).
Los metales son muy importantes en la fabricación de productos electrónicos, ya que son buenos conductores de electricidad. Cobre, aluminio, estaño, plomo, magnesio y plástico se utilizan a menudo en la fabricación de piezas de teléfonos, computadoras portátiles, computadoras y electrónica automotriz. El cobre es rentable y se utiliza para el cableado eléctrico. El plomo se utiliza para el revestimiento de cables y la fabricación de baterías. El estaño se utiliza para hacer soldaduras. Las aleaciones de magnesio se utilizan en la producción de nuevas tecnologías, ya que son ligeras. El plástico se utiliza para fabricar piezas de electrónica que no deben conducir la electricidad y el titanio se utiliza para producir plástico.
Los metales también son importantes en la industria de la ingeniería. El aluminio se usa a menudo en la fabricación de piezas planas automotrices & y se usa como aleación ya que su forma pura es débil. La fundición de automóviles está hecha de zinc. El hierro, el acero y el níquel son metales comunes utilizados en la construcción y la infraestructura. El acero es una aleación de hierro y carbono (y a menudo otros elementos). El aumento del contenido de carbono en el acero crea acero al carbono, lo que hace que el material sea más fuerte pero menos dúctil. El acero al carbono se utiliza a menudo en materiales de construcción. El latón y el bronce (cobre aleado con zinc y estaño, respectivamente) tienen propiedades de fricción de superficie beneficiosas y se utilizan para cerraduras & bisagras y marcos de puertas & ventanas respectivamente.
Por último, tradicionalmente los filamentos de bombilla para luz fluorescente están hechos de tungsteno. Sin embargo, estos se están eliminando gradualmente, ya que solo alrededor del 5% de la energía se convierte en luz en una fuente de luz como esta, el resto de la energía se convierte en calor. Las fuentes de luz modernas a menudo se basan en tecnología LED y semiconductores.
En conclusión, la conductividad térmica del metal es muy importante para diseñar cualquier estructura. Es integral para la seguridad, la eficiencia y las nuevas innovaciones dentro de las industrias. Los electrones conductores son el mecanismo detrás de la alta conductividad de los metales en comparación con los materiales no metálicos. Sin embargo, el valor de conductividad térmica (k) también puede variar mucho entre los metales.
Schroeder, D. V. (2018). Introducción a la física térmica. India: Pearson India Education Services.
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Imágenes
Imagen 1.A: Mohamed, M. (2019). Cocinera . Recuperado de https://pxhere.com/en/photo/1584957.
Imagen 1.B: Mohamed, M. (2019). Chef Cocinando . Recuperado de https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Imagen 2: Wikipedia. Termómetro . Recuperado de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Autor: Selen Yildir / Redactor técnico junior / Thermtest