¿Qué es la Conductividad Térmica? Definición, fórmula y ejemplos

Transferencia de calor

Si se deja un trozo de metal tirado en el césped en un caluroso día de verano, ¡hará mucho calor! De hecho, estará tan caliente que podría quemar a cualquiera que lo toque. Mientras tanto, la hierba es perfectamente segura de tocar. ¿Por qué el metal se siente mucho más caliente que la hierba? Esto sucede porque el calor se mueve a través de la hierba y el metal de maneras muy diferentes.

En realidad, hay tres formas en que se transfiere el calor.

• La primera, conocida como conducción térmica, se produce cuando dos objetos de diferente temperatura entran en contacto entre sí. Cuando esto sucede, la energía térmica fluirá desde el objeto más caliente hacia el objeto más frío hasta que estén a la misma temperatura.
• El segundo método de transferencia de calor se conoce como convección, y la convección ocurre cuando fluidos en movimiento (líquidos o gases) permiten que el calor se mueva entre objetos que no están en contacto directo. La convección es responsable de hacer que el humo y el calor de un incendio se eleven en el aire.
• Por último, el calor también puede transferirse mediante radiación electromagnética. Esta es la forma en que se transfiere el calor del sol a la Tierra, y también es la razón por la que el calor proveniente de un objeto caliente se puede sentir incluso sin tocarlo.

¿Qué es la transferencia de calor por conducción?

Cuando un objeto caliente toca un objeto frío, el calor saldrá del objeto caliente (temperatura alta), enfriándolo, y hacia el objeto frío (temperatura baja), calentándolo. Este es el proceso de conducción de calor. ¿Por qué sucede esto y por qué el calor nunca fluye en sentido contrario, del frío al caliente? Para entender lo que está pasando, piense en los átomos y moléculas dentro de los dos materiales en contacto. Cuando un material tiene una temperatura más alta, sus átomos y moléculas tienen más energía, lo que significa que se mueven muy rápidamente. Por el contrario, a temperaturas más bajas, se mueven más lentamente. Entonces, cuando materiales con dos temperaturas diferentes entran en contacto directo entre sí, algunas de esas partículas calientes y de alta energía chocan con algunas de las partículas frías y de menor energía. Cada vez que eso sucede, se transfiere un poco de energía. Con el tiempo, esto significa que el material frío gana energía mientras que el material caliente pierde energía. Esto continúa sucediendo hasta que ambos estén a la misma temperatura.

La ecuación de conducción térmica

La ecuación de conductividad térmica, que también se conoce como fórmula de conductividad térmica o ley de conducción de calor de Fourier, se puede utilizar para calcular la velocidad a la que el calor fluirá a través del material. Depende del coeficiente de conductividad térmica, el área y el espesor del material, así como de la diferencia de temperatura entre los dos lados del material.

$$\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{kA\Delta T}{d} $$

En esta ecuación,

• {eq}\frac{\Delta Q}{\Delta t} {/eq} representa la velocidad a la que se transfiere calor

• k representa el coeficiente de conductividad térmica del material.
• A representa el área por la que pasa el calor.
• {eq}\Delta T {/eq} representa la diferencia de temperatura
• d representa el espesor del material

Conductividad térmica: ejemplos

Ejemplo 1

Una ventana de 0,1 m de espesor tiene un área de 0,5 m
². La temperatura exterior es de 10 grados centígrados y la temperatura interior de la casa es de 27 grados centígrados. La ventana tiene un coeficiente de conductividad térmica de 0,25 W/mK. ¿Cuánto calor fluye por la ventana cada segundo?

Para calcular la tasa de conducción de calor a través de la ventana, comience con la ecuación de conductividad térmica:

$$\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{kA\Delta T}{d} $$

En este ejemplo, d=0,1 m, A=0,5 m ², {eq}\Delta T {/eq}=17 K y el coeficiente de conductividad térmica k=0,25 W/mK.

Sustituyendo estos valores en la ecuación de conductividad térmica se obtiene:

$$\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{(0,25 W/mK)(0,5 m^{2}(17K)}{0,1m}=21,25 W $$

Entonces, el calor se conduce a través de la ventana a una velocidad de 21,25 W, lo que significa que 21,25 J de calor pasan a través de la ventana cada segundo.
Ejemplo 2

Un material desconocido con un espesor de 0,4 m y un área de 1,5 m
². Si la diferencia de temperatura es de 25 K y el flujo de calor es de 60 W, ¿cuál es el coeficiente de conductividad térmica de este misterioso material?

En este ejemplo, se conoce el caudal de calor, pero no se conoce el coeficiente de conductividad térmica. Entonces, el primer paso para resolver este problema es reorganizar la ecuación de conductividad térmica para resolver k:

$$k=\frac{\frac{\Delta Q}{\Delta t}d}{A\Delta T} $$

Luego, sustituye los valores dados para encontrar k:

$$k=\frac{(60W)(0,4 m)}{(1,5m^{2}(25K)}=0,64 W/mK $$

El coeficiente de conductividad térmica de este material es de 0,64 W/mK, similar al del agua (0,58 W/mK).

Resumen de la lección

Los tres tipos de transferencia de calor son conducción, convección y radiación electromagnética . La conducción ocurre cuando dos objetos de diferentes temperaturas entran en contacto entre sí, lo que hace que la energía térmica fluya del objeto más caliente al objeto más frío hasta que estén a la misma temperatura. La convección ocurre cuando el movimiento de fluidos (líquidos o gases) transporta calor entre objetos que no están en contacto directo. La radiación electromagnética es calor transportado por ondas electromagnéticas. Así es como se transfiere el calor del sol a la Tierra.

La conducción ocurre a diferentes velocidades en diferentes tipos de materiales. La conductividad térmica de un material representa su capacidad para conducir el calor rápidamente. En general, los metales tienen las conductividades térmicas más altas, seguidos de otros materiales sólidos, líquidos y finalmente gases. El coeficiente de conductividad térmica ( k ), que tiene unidades de W/mK, se utiliza para cuantificar la conductividad térmica de diferentes tipos de materiales. Las unidades de este coeficiente son W/mK.

La ecuación de conductividad térmica se puede utilizar para calcular la velocidad a la que el calor fluirá a través de un material.

$$\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{kA\Delta T}{d} $$

En esta ecuación,

• {eq}\frac{\Delta Q}{\Delta t} {/eq} representa la velocidad a la que se transfiere calor

• k representa el coeficiente de conductividad térmica del material.
• A representa el área por la que pasa el calor.
• {eq}\Delta T {/eq} representa la diferencia de temperatura
• d representa el espesor del material

Esta ecuación puede usarse para encontrar la tasa de conducción de calor o reorganizarse para encontrar el coeficiente de conductividad térmica de un material en particular.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador