Conducción de calor

A

Q

Q

Q

Q

Q

X

El segundo principio de la termodinámica determina que el calorsólo puede fluir de un cuerpo más caliente a uno más frío, la leyde Fourier fija cuantitativamente la relación entre el flujo y lasvariaciones espacial y temporal de la temperatura.

La conducción de calor o transmisión de calor porconducción es un proceso de transmisión de calor basa-do en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercam-bio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpode mayor temperatura a otro de menor temperatura queestá en contacto con el primero. La propiedad física delos materiales que determina su capacidad para conducirel calor es la conductividad térmica. La propiedad inver-sa de la conductividad térmica es la resistividad térmica,que es la capacidad de los materiales para oponerse alpaso del calor.La transmisión de calor por conducción, entre dos cuer-pos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el inter-cambio de energía interna, que es una combinación dela energía cinética y energía potencial de sus partículasmicroscópicas: moléculas, átomos y electrones. La con-ductividad térmica de la materia depende de su estruc-tura microscópica: en un fluido se debe principalmen-te a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólidodepende del intercambio de electrones libres (principal-mente en metales) o de los modos de vibración de suspartículas microscópicas (dominante en los materiales nometálicos).[1]

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en

una sola dirección, el calor transmitido es proporcionalal área perpendicular al flujo de calor, a la conductividaddel material y a la diferencia de temperatura, y es inver-samente proporcional al espesor:[2]

∆Q∆t = kA

x (T1 − T2)

donde:

∆Q∆t es la calor transmitido por unidad de tiem-po.k (o λ ) es la conductividad térmica.A es el área de la superficie de contacto.(T1−T2) es la diferencia de temperatura entreel foco caliente y el frío.x es el espesor del material.

1 Procesos de transferencia de ca-lor

El calor se transfiere pormedio de alguno de los siguientesprocesos:

• Conducción: transmisión de calor por contacto sintransferencia de materia.

• Convección: transmisión de calor por la transferen-cia de la propia materia portadora del calor.

• Radiación: transmisión de energía por medio de laemisión de ondas electromagnéticas o fotones.

La transferencia de energía térmica o calor entre doscuerpos diferentes por conducción o convección requiereel contacto directo de las moléculas de diferentes cuer-pos, y se diferencian en que en la primera no hay movi-miento macroscópico de materia mientras que en la se-gunda sí lo hay. Para la materia ordinaria la conducción yla convección son los mecanismos principales en la “ma-teria fría”, ya que la transferencia de energía térmica porradiación sólo representa una parte minúscula de la ener-gía transferida. La transferencia de energía por radiaciónaumenta con la cuarta potencia de la temperatura (T4),siendo sólo una parte importante a partir de temperatu-ras superiores a varios miles de kelvin.

1

2 4 VÉASE TAMBIÉN

Es la forma de transmitir el calor en cuerpos sólidos; secalienta un cuerpo, las moléculas que reciben directa-mente el calor aumentan su vibración y chocan con lasque las rodean; estas a su vez hacen lo mismo con susvecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agi-tan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálicase calienta con una llama, transcurre cierto tiempo hastaque el calor llega al otro extremo. El calor no se transmi-te con la misma facilidad por todos los cuerpos. Existenlos denominados “buenos conductores del calor”, que sonaquellos materiales que permiten el paso del calor a tra-vés de ellos. Los “malos conductores o aislantes” son losque oponen mucha resistencia al paso de calor.

2 Ley de Fourier

La conducción térmica está determinada por la ley deFourier, que establece que el flujo de transferencia de ca-lor por conducción en un medio isótropo es proporcionaly de sentido contrario al gradiente de temperatura en esadirección. De forma vectorial:

q = −k∇T

donde:

q : es el vector de flujo de calor por unidad desuperficie (W m−2).k : es una constante de proporcionalidad, lla-mada conductividad térmica (W m−1 K−1).∇T : es el gradiente del campo de temperaturaen el interior del material ( K m−1).

De forma integral, el calor que atraviesa una superficie Spor unidad de tiempo viene dado por la expresión:

dQS

dt =∫Sq · dS = −k

∫S∇T · dS

El caso más general de la ecuación de conducción, expre-sada en forma diferencial, refleja el balance entre el flujoneto de calor, el calor generado y el calor almacenado enel material[3]

α(

∂2T∂x2 + ∂2T

∂y2 + ∂2T∂z2

)+ q̇G

ρCp= ∂T

∂t

donde:

α = kρCp

: es la difusividad térmica,∂2T∂x2 +

∂2T∂y2 +

∂2T∂z2 : es el operador laplaciano del

campo de temperatura, que mide el flujo netode calor,

q̇G : es el calor generado por unidad de volu-men,ρ : es la densidad del material,CP : es el calor específico del material,∂T∂t : es la variación de temperatura con el tiem-po.

La ecuación de conducción, que es un caso particularde la ecuación de Poisson, se obtiene por aplicación delprincipio de conservación de la energía.[4]

3 Conductividad térmica

La conductividad térmica es una propiedad intrínseca delos materiales que valora la capacidad de conducir el ca-lor a través de ellos. El valor de la conductividad varía enfunción de la temperatura a la que se encuentra la sustan-cia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300 K conel 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 la trans-ferencia puede hacerse a través de electrones libres) y enmateriales iónicos y covalentes, siendo muy baja en al-gunos materiales especiales como la fibra de vidrio, quese denominan por eso aislantes térmicos. Para que existaconducción térmica hace falta una sustancia, de ahí quees nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes dondese ha practicado un vacío elevado.En algunos procesos industriales se trabaja para incre-mentar la conducción de calor, bien utilizando materialesde alta conductividad o configuraciones con un elevadoárea de contacto. En otros, el efecto buscado es justo elcontrario, y se desea minimizar el efecto de la conduc-ción, para lo que se emplean materiales de baja conducti-vidad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en con-figuraciones con poca área de contacto.El coeficiente de conductividad térmica (λ) expresa lacantidad o flujo de calor que pasa a través de la unidadde superficie de una muestra del material, de extensióninfinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuandoentre sus caras se establece una diferencia de tempera-turas 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 enunidades de British thermal units por hora por pie porgrado Fahrenheit (Btu/h·ft·°F). Estas unidades puedentransformarse a W/m·K empleando el siguiente factor deconversión: 1 Btu/h·ft·°F = 1,731 W/m·K.

4 Véase también• Transferencia de calor.

3

• Convección térmica.

• Radiación térmica.

• Conductividad térmica.

• Aislamiento térmico.

• Transmitancia térmica.

5 Referencias

5.1 Notas[1] (Lestina y Serth, 2010, p. 1/31)

[2] (Lestina y Serth, 2010, p. 1/2)

[3] (Jiji, 2009, p. 8)

[4] (Kreith, Manglik y Bohn, 2010, pp. 73-74)

5.2 Bibliografía

• Lestina, Thomas; Serth, Robert W. (2010). ProcessHeat Transfer: Principles, Applications and Rules ofThumb. Academic Press.

• Jiji, Latif M. (2009). Heat Conduction. Springer.

• Kreith, Frank; Manglik, Raj M.; Bohn, Mark S.(2010). Principles of Heat Transfer. Cengage Lear-ning.

6 Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multi-media sobre Conducción de calor. Commons

4 7 ORIGEN DEL TEXTO Y LAS IMÁGENES, COLABORADORES Y LICENCIAS

7 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias

7.1 Texto• Conducción de calor Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_de_calor?oldid=85213602 Colaboradores: AstroNomo,Joseaperez, Moriel, Sauron, Sanbec, Sms, Cookie, Tano4595, Robotito, Joselarrucea, Dianai, Xenoforme, Balderai, Digigalos, Soulreaper,Rembiapo pohyiete (bot), RobotQuistnix, Torbellino, Echani, Gaijin, BOTpolicia, Nethac DIU, CEM-bot, Damifb, Anonimosanhueza,Davius, Antur, Thijs!bot, Cvmontuy, Jmcalderon, Tortillovsky, Isha, JAnDbot, Ingolll, Muro de Aguas, TXiKiBoT, Humberto, Froco,Xsm34, Pólux, Uruk, Kaprak, Urdangaray, Technopat, Matdrodes, 3coma14, Muro Bot, Edmenb, YonaBot, SieBot, El carrera, Cobalt-tempest, Mel 23, Manwë, XalD, Javierito92, Thunderbird2, Nicop, Orlando0404, Eduardosalg, Juan Carlos Sánchez Rivero, Botito777,Petruss, Darkicebot, Jfayads, Ravave, UA31, Abajo estaba el pez, MARC912374, AVBOT, Enalcahe, MarcoAurelio, Diegusjaimes, Ar-juno3, Luckas-bot, Amirobot, Nallimbot, Draxtreme, SuperBraulio13, Ortisa, Jkbw, Dossier2, Botarel, PatruBOT, Jorge c2010, Edslov,EmausBot, Savh, J. A. Gélvez, Grillitus, Elías, Nahueli1989, AeroPsico, Rafaelkelvin, Rezabot, Travelour, RichardOrton26, Acratta, Add-bot, Balles2601, Miguel angel perez ola k ase, ConnieGB, Fabianorover999, Jarould y Anónimos: 202

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7.3 Licencia del contenido• Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0