PROPIEDADES TERMICAS -LA CAPACIDAD CALORÍFICA

PROPIEDADES TERMICAS
POR "PROPIEDAD O CARACTERÍSTICA TÉRMICA" SE ENTIENDE
LA RESPUESTA DE UN MATERIAL AL SER CALENTADO
A MEDIDA QUE UN SÓLIDO ABSORBE ENERGÍA EN FORMA DE
CALOR, SU TEMPERATURA Y SUS DIMENSIONES AUMENTAN.
LA ENERGÍA PUEDE TRANSPORTARSE DE LAS REGIONES
CALIENTES A LAS REGIONES MÁS FRÍAS DE LA MUESTRA SI
EXISTE UN GRADIENTE DE TEMPERATURA Y, FINALMENTE LA
MUESTRA PUEDE FUNDIRSE
-LA CAPACIDAD CALORÍFICA
CALOR
-LA DILATACIÓN TÉRMICA
-LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
-LA REFRACTARIEDAD (RESISTENCIA PIROSCÓPICA)
SON PROPIEDADES MUY IMPORTANTES EN LA
UTILIZACIÓN PRÁCTICA DE LOS MATERIALES
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
CUANDO SE CALIENTA UN MATERIAL SÓLIDO, ÉSTE
EXPERIMENTA UN AUMENTO DE TEMPERATURA, INDICANDO CON
ELLO QUE ABSORBE ENERGÍA.
LA CAPACIDAD CALORÍFICA ES UNA PROPIEDAD QUE INDICA LA
CAPACIDAD DE UN MATERIAL DE ABSORBER CALOR DE SU
ENTORNO.
REPRESENTA LA CANTIDAD DE ENERGÍA NECESARIA PARA
AUMENTAR LA TEMPERATURA DEL MATERIAL EN UNA UNIDAD.
Normalmente, la capacidad calorífica se expresa por mol
de material C (J/mol.K), obteniéndose la capacidad
calorífica molar, que puede ser a volumen constante,CV o
a presión constante, CP.
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
LA MAGNITUD DE CP ES MÁS FÁCIL DE MEDIR Y SIEMPRE ES
MAYOR QUE CV. SIN EMBARGO, ESTA DIFERENCIA ES MUY
PEQUEÑA PARA LA MAYORÍA DE LOS MATERIALES SÓLIDOS A
TEMPERATURA AMBIENTE E INFERIORES.
9α 2VT
CP − CV =
K
α = Coeficiente de dilatación térmica lineal
K = Módulo de elasticidad volumétrica = -∆P/(∆V/V), es decir el cociente
entre el cambio de presión y la disminución relativa de volumen
V = Volumen
T = Temperatura absoluta
Para los sólidos la diferencia entre Cp y Cv es muy
pequeña, ya que el valor de α es muy pequeño y el de K
grande. A temperatura ambiente la diferencia para los
sólidos es del 5 %.
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
A VECES SE UTILIZA EL CALOR ESPECÍFICO (A MENUDO
REPRESENTADO POR Ce). ESTE REPRESENTA LA CAPACIDAD
CALORÍFICA POR UNIDAD DE MASA (J/Kg.K) Y SE DEFINE COMO LA
CANTIDAD DE CALOR QUE HAY QUE COMUNICAR A LA UNIDAD DE
MASA CON EL FIN DE ELEVAR UN GRADO SU TEMPERATURA, ES
DECIR:
ΔQ
ce =
mΔT
ΔQ = ce mΔT
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
EN EL AÑO 1819 LOS CIENTÍFICOS FRANCESES P. DULONG Y A.
PETIT ESTABLECIERON EXPERIMENTALMENTE UNA LEY DE
ACUERDO CON LA CUAL LA CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR
DE TODOS LOS SÓLIDOS, A TEMPERATURAS SUFICIENTEMENTE
ALTAS, ES UNA MAGNITUD CONSTANTE INDEPENDIENTE DE LA
TEMPERATURA E IGUAL, APROXIMADAMENTE A:
3R = 25 J/Mol.K
SIENDO:
R = CONSTANTE GASES PERFECTOS = NAKB = 8.314 J/MOL.K
ESTO SIGNIFICA QUE CUANDO UN SÓLIDO CUALQUIERA SE
CALIENTA UN KELVIN, CADA UNO DE SUS ÁTOMOS ABSORBE
UNA MISMA CANTIDAD DE ENERGÍA
NA = NÚMERO DE AVOGADRO =6.02 X 1023 ÁTOMOS (O
MOLÉCULAS)
KB = CONSTANTE DE BOLTZMANN = 1.38 X 10-23 J/ÁTOMOS.K, O
8.62 X 10-5 EV/ÁTOMOS.K
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
ΔQ
ce =
m ΔT
ΔQ PM ΔQ cC = ΔQ
cC =
=
nΔT
mΔT PM mΔT
c
ce = C
PM
cC = ce PM
(cC = ce PA )
cC = ce PM
ce PM = 25 J / atg .K
cC = ce PA
ce PA = 25 J / atg .K
cC = 25 J / mol.K
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
CAPACIDAD TERMICA
Ct = ρ ce
Ctg = eCt = ρ ce e
La capacidad térmica (sin referirse a la unidad de área), C,
es el producto del calor especifico ce, por la masa M, es
decir, que siendo ρ la densidad, e el espesor de un muro y
S su área frontal, se puede determinar C mediante la
ecuación:
C = ceM = ρ ceeS
Si S =1 , se tiene que:
C= ρ cee = Ct
e
S
1.- Calor específico de un material.
Sean dos materiales A y B, tales que el calor específico de A es mayor que
el de B, es decir
ceA > ceB
A una cantidad de masa igual para los dos, que esta a temperatura
ambiente, se les suministra la misma cantidad de calor durante el mismo
período de tiempo, ¿Cuál de ellos tendrá mayor temperatura al final del
calentamiento?.
2.- A una cantidad de masa igual de dos materiales A y B
( m A = mB )
que están a temperatura ambiente, se les suministra la misma cantidad de
calor durante el mismo período de tiempo. Al final se tiene que la
temperatura del material A es mayor que la del B
(TA > TB )
¿Cuál de ellos tendrá mayor calor específico?.
PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA
PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA
PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA
PROPIEDADES TERMICAS /DILATACION TERMICA
2.- EN LA UTILIZACIÓN DE LOS MATERIALES.
-PREVISIÓN DE CAMBIOS DIMENSIONALES Y FORMAS
-DISEÑO DE ESTRUCTURAS O MAMPOSTERÍAS REFRACTARIAS
-TENSIONES TERMOMECÁNICAS EN EL INTERIOR DE PIEZAS DE MATERIALES
COMPUESTOS (POLIFÁSICOS)
-RESPUESTAS A LOS CHOQUES TÉRMICOS ASOCIADAS A EXPANSIONES Y
CONTRACCIONES.
-COMPORTAMIENTO ANTE LOS CICLOS TÉRMICOS
-RESISTENCIA AL DESCONCHADO (SPALLING)
-TENSIONES ENTRE ELEMENTOS DEL REVESTIMIENTO REFRACTARIO
- CALCULO DE JUNTAS DE DILATACIÓN ADECUADAS, PARA QUE NO QUEDEN
ABIERTAS LO QUE DARIA LUGAR A UN AFLOJAMIENTO DE LA MAMPOSTERÍA
Y SE PRODUCIRIAN FUGAS O PARA QUE NO SE APRIETEN PRODUCIENDO
CARGAS DE PRESIÓN QUE PUEDEN CAUSAR ROTURAS.
PROPIEDADES TERMICAS / CALOR ESPECIFICO
PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA
LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ES UNA PROPIEDAD MUY
IMPORTANTE A LA HORA DE ELEGIR EL MATERIAL MÁS ADECUADO
DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL AISLAMIENTO TÉRMICO.
EL AISLAMIENTO TÉRMICO DE UN CERRAMIENTO ES LA
CARACTERISTICA POR LA QUE SE REDUCE EL FLUJO DE CALOR
QUE ESPONTANEAMENTE SE TRANSFIERE DESDE EL AMBIENTE
MÁS CALIENTE AL MÁS FRIO
EN GENERAL, EN LOS MATERIALES DE
CONSTRUCCION, Y ESPECIALMENTE EN LOS
AISLANTES, SE REQUIERE UNA
BAJA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
AL OBJETO DE MINIMIZAR LAS PÉRDIDAS DE CALOR
POR LAS PAREDES DE LOS EDIFICIOS, ETC
PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA
LOS EDIFICIOS DISPONDRÁN DE UNA ENVOLVENTE DE
CARACTERÍSTICAS TALES QUE
LIMITE ADECUADAMENTE LA DEMANDA ENERGÉTICA
NECESARIA PARA ALCANZAR EL BIENESTAR TÉRMICO EN
FUNCIÓN DEL CLIMA DE LA LOCALIDAD, DEL USO DEL EDIFICIO Y DEL
RÉGIMEN DE VERANO Y DE INVIERNO, ASÍ COMO POR SUS
CARACTERÍSTICAS DE AISLAMIENTO E INERCIA, PERMEABILIDAD AL
AIRE Y EXPOSICIÓN A LA RADIACIÓN SOLAR,
REDUCIENDO EL RIESGO DE APARICIÓN DE HUMEDADES
DE CONDENSACIÓN SUPERFICIALES E INTERSTICIALES
QUE PUEDAN PERJUDICAR SUS CARACTERÍSTICAS Y
TRATANDO ADECUADAMENTE LOS PUENTES TÉRMICOS PARA
LIMITAR LAS PÉRDIDAS O GANANCIAS DE CALOR Y EVITAR
PROBLEMAS HIGROTÉRMICOS EN LOS MISMOS.
UN PUENTE TÉRMICO ES UNA ZONA DONDE SE TRANSMITE MÁS
FÁCILMENTE EL CALOR, POR SER DE DIFERENTE MATERIAL O
ESPESOR.
UN EJEMPLO PODRÍA SER UN TORNILLO QUE UNE DOS PLANCHAS
DE MADERA. COMO EL TORNILLO CONDUCE MEJOR EL CALOR QUE
LA MADERA EL CALOR SE ESCAPA POR AHÍ. POR ESTE MOTIVO,
ANTES DE MEJORAR LA EFICACIA DEL RESTO DEL AISLAMIENTO SE
DEBERÍA VALORAR ELIMINAR LA FUGA DE CALOR DEL TORNILLO.
PLANCHAS DE MADERA
TORNILLO
UN CASO MUCHO MÁS COMÚN ES EL DE LAS VENTANAS DE
DOBLE CRISTAL CON MARCO DE ALUMINIO. EL DOBLE CRISTAL ES UN
AISLANTE MUY BUENO, PERO EL ALUMINIO ES UN EXCELENTE CONDUCTOR
TÉRMICO, Y POR ESO DEJA ESCAPAR EL CALOR. A VECES, EN INVIERNO SE
PUEDEN VER SUDAR (PEQUEÑAS GOTAS DE AGUA, DE HUMEDAD
CONDENSADA) A LOS MARCOS Y, SI EMBARGO, EL CRISTAL NO SUDA.
PARA EVITAR ESTA FUGA SE USA LO
QUE SE DENOMINA ROTURA DE
PUENTE TÉRMICO. CONSISTE EN
EVITAR QUE LA CARA INTERIOR Y
EXTERIOR TENGAN CONTACTO ENTRE
SÍ, INTERCALANDO UN MAL
CONDUCTOR, CON LO QUE SE
REDUCEN MUCHO LA PÉRDIDAS. PARA
EL CASO DE VENTANAS DE ALUMINIO
SUELE UTILIZARSE UN PERFIL
SEPARADOR DE PLÁSTICO EMBUTIDO
EN EL PROPIO PERFIL DE ALUMINIO
QUE CONFORMA LA VENTANA.
LAS VENTAJAS DEL USO DE LA ROTURA DE PUENTE TÉRMICO SON:
•EL AHORRO DE ENERGÍA. LA LEGISLACIÓN ES CADA VEZ MÁS
ESTRICTA EN MATERIA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LOS
EDIFICIOS. EL OBJETIVO ES REDUCIR LA EMISIÓN DE CO2.
•LA LIMITACIÓN DE LAS CONDENSACIONES.
EN CLIMAS FRÍOS CUANDO LA TEMPERATURA EXTERIOR ES MUY
BAJA Y EN EL INTERIOR HAY UNA HUMEDAD RELATIVA ELEVADA, SE
DA EL FENÓMENO DE LA CONDENSACIÓN SOBRE LOS PERFILES
INTERIORES. ELLO ES DEBIDO A QUE LA TEMPERATURA DEL PERFIL
INTERIOR ESTÁ POR DEBAJO DE LA TEMPERATURA DEL ROCÍO. CON
LA ROTURA DEL PUENTE TÉRMICO SE CONSIGUE ELEVAR LA
TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL PERFIL INTERIOR, EN
CONSECUENCIA SE RESTRINGE LA APARICIÓN DEL ROCÍO.
•LA POSIBILIDAD DE TENER PERFILES BICOLORES. EL USO DE LAS
VARILLAS PERMITE LA UTILIZACIÓN DE PERFILES DE ALUMINIO DE
DISTINTO COLOR EN LAS CARAS INTERIOR Y EXTERIOR DE LA
VENTANA.
•EL CUMPLIMIENTO, NO SÓLO DEL PROTOCOLO DE KYOTO, SINO
TAMBIÉN DEL CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN QUE OBLIGA A
QUE LOS CERRAMIENTOS DE ALUMINIO SEAN CON ROTURA DE
PUENTE TÉRMICO EN UN 80% DE LA GEOGRAFÍA ESPAÑOLA.
EXISTE EL PROBLEMA, TAMBIÉN EN CONSTRUCCIÓN, DE PUENTES
TÉRMICOS PRESENTES EN FACHADAS DE EDIFICIOS POR EL CONTACTO DE
PIEZAS ESTRUCTURALES CON EL EXTERIOR.
POR EJEMPLO, EN UN EDIFICIO QUE TENGA ESTRUCTURA METÁLICA O DE
HORMIGÓN, LOS PILARES Y VIGAS HARÁN DE PUENTE TÉRMICO RESPECTO
DEL CERRAMIENTO. UN CERRAMIENTO QUE SEA INTERRUMPIDO POR UN
PILAR O UNA VIGA, EXPERIMENTARÁ UN PUENTE TÉRMICO EN ESA ZONA,
PUES EL PILAR O VIGA, TRANSMITEN MEJOR EL CALOR, PROVOCANDO UNA
PÉRDIDA Y APARECIENDO UN "PUNTO FRÍO" QUE PUEDE PROVOCAR
CONDENSACIÓN. GENERALMENTE SON OBSERVABLES PATOLOGÍAS (ZONAS
HÚMEDAS CON MOHO) EN ESTOS PUENTES TÉRMICOS.
CERRAMIENTO
VIGA DE HORMIGON
UN MODO USUAL DE RESOLVER ESTE COMÚN PUENTE TÉRMICO ES NO
SITUAR LOS PILARES O VIGAS ENRASADAS CON LA FACHADA POR SU PARTE
EXTERNA, SINO REHUNDIDOS UNOS CENTÍMETROS RESPECTO DE LA
FÁBRICA DE ALBAÑILERÍA, LO SUFICIENTE PARA "PROTEGERLOS" CON UN
AISLANTE TÉRMICO EXTERIOR. ASÍ SE EVITARÁN LAS CONDENSACIONES Y
APARICIÓN DE HUMEDAD Y MOHO EN EL INTERIOR DE LA VIVIENDA.
CERRAMIENTO
VIGA DE HORMIGON
AISLANTE TÉRMICO EXTERIOR
LOS OBJETIVOS PRINCIPALES DEL AISLAMIENTO TÉRMICO
EN LA CONSTRUCCIÓN SON:
-AHORRAR ENERGÍA
- MEJORAR EL CONFORT
- PROTEGER AL INDIVIDUO, AL HÁBITAT Y AL MEDIO
AMBIENTE
CON RESPECTO AL AHORRO DE ENERGÍA EN EL SECTOR
DE LOS EDIFICIOS DE VIVIENDA Y COMERCIALES, HA DE
TENERSE EN CUENTA QUE LA CANTIDAD DE ENERGÍA QUE
SE CONSUME PARA EL ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO,
CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN, ES UNA CANTIDAD MUY
IMPORTANTE.
LA ENERGÍA CONSUMIDA EN LOS EDIFICIOS
REPRESENTA EL 40% DEL TOTAL DE LA
ENERGÍA CONSUMIDA EN EUROPA. EL
TRANSPORTE REPRESENTA EL 32% Y LA
INDUSTRIA EL 28% RESTANTE.
EL 19% DEL TOTAL DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA CONSUMIDA EN EL MUNDO
SE DEBE AL ALUMBRADO. VEMOS ASÍ QUE TANTO LOS EDIFICIOS EN
GENERAL COMO EL ALUMBRADO EN PARTICULAR REPRESENTAN UNO DE
LOS SECTORES DE MAYOR CONSUMO ENERGÉTICO DENTRO DE LA UNIÓN
EUROPEA, POR LO QUE SE CONVIERTEN EN UNA ENORME OPORTUNIDAD
PARA AHORRAR ENERGÍA, AHORRAR DINERO Y PARA REDUCIR
NUESTRAS EMISIONES DE CO2.
SE DEFINE COMO CERRAMIENTOS A LOS ELEMENTOS DE
SEPARACIÓN ENTRE EL AMBIENTE INTERIOR Y EL
AMBIENTE EXTERIOR DE UN EDIFICIO Y QUE
CONSTITUYEN SU ENVOLVENTE CIEGA.
LADRILLO PERFORADO
CERRAMIENTO MULTICAPA
EN LA TRANSMISIÓN DEL CALOR A TRAVÉS DE LOS
CERRAMIENTOS, ENTRE EL AMBIENTE EXTERIOR Y EL AMBIENTE
INTERIOR DE LOS EDIFICIOS, SE DISTINGUEN VARIOS MECANISMOS
DE TRANSFERENCIA Y REGIONES DONDE SE REALIZAN.
1.- SUPERFICIES, EN CONTACTO CON EL AMBIENTE EXTERIOR E
INTERIOR, DONDE SE INTERCAMBIA CALOR POR RADIACIÓN Y
CONVECCIÓN
2.- INTERIOR DEL CERRAMIENTO, DONDE SE TRANSMITE CALOR POR
CONDUCCIÓN ENTRE AMBAS SUPERFICIES A TRAVÉS DE VARIAS
CAPAS, Y SE ALMACENA CALOR POR ACUMULACIÓN EN SU MASA
TÉRMICA.
-1 Y 3 TRANSMISIÓN DE
CALOR POR CONVECCIÓN Y
RADIACIÓN
- 2 TRANSMISIÓN DE CALOR
POR CONDUCCIÓN.
PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA
INTEGRANDO (Suponiendo que k no depende
de la temperatura)
q
LEY DE FOURIER
q
q=
→ L, k →
T2
(T1> T2)
T1
k
ΔT
ΔT
T1 − T2 ) =
=
(
L
L
Rt
k
( )
(POR UNIDAD DE ÁREA)
PARED SIMPLE
PARED
COMPUESTA
Distribución de temperaturas para conducción estacionaria a través de
una pared plana compuesta. y el circuito térmico correspondiente.
q=
T1 − T3
+ LB
(L k ) ( k )
A
A
ΔT
RA + RB
B
INVIERNO
AMBIENTE
AMBIENTE
EXTERIOR,
=
INTERIOR,
Te
Ti
CONVECCION
qconv
qrad
RADIACION
qconv
qcond
Tsi
Tse
LEY DE ENFRIAMIENTO
DE NEWTON
CONVECCION
LEY DE FOURIER
T −T
ΔT
T −T
Tse − Te
Q
ΔT
Q
ΔT q = sin se = n
qc = = hce ΔT =
q = = hci ΔT = i si =
=
L
i
1
1
A
Rtconv
A
Rtconv
Ri
hce
h
ci
k
•
•
LEY DE STEFAN – BOLTZMANN
(
q = σε s Tse4 − Te4
(
)
)
q = σε s Tse2 + Te2 (Tse + Te )(Tse − Te )
∑
i =1
qr =
i
∑
i =1
Tse − Te
⎛
⎞
⎜ 1
⎟
⎜ σε s Tse2 + Te2 (Tse + Te ) ⎟
⎝
⎠
(
)
=
Tse − Te
ΔT
=
1
Rtrad
hre
INVIERNO
AMBIENTE
AMBIENTE
EXTERIOR,
INTERIOR,
Te
Ti
CONVECCION
qconv
qrad
RADIACION
qconv
qcond
Tsi
Tse
CONVECCION
qconv = qcond = qconv + qrad
Ti − Tsi Tsi − Tse Tse − Te Tse − Te q = Ti − Tsi = Tsi − Tse = ( h + h )(T − T )
ce
re
se
e
= n
=
+
q=
n L
1
1
1
1
Li
i
hci
∑
hci
hce
hre
∑
i =1 ki
k
i =1 i
q=
Ti − Tsi Tsi − Tse
Tse − Te
= n
=
1
1
Li
hci
∑
( hce + hre )
i =1 ki
q=
Ti − Te
n
1 + ∑ Li + 1
hci i =1 k
( hce + hre )
i
RT = Rtconvi + Rtcond + R e
1
1
1
1
1
=
+
=
+
= hce + hre
1
1
R e Rtconve Rtrade
hce
hre
Re =
1
hce + hre
n L
1
1
1
i
RT = =
+∑ +
U hci i =1 ki hce + hre
CAMARAS DE AIRE
Rca =
T1
ε1
1
1
=
h
hr + ⎛⎜ c ⎞⎟ hca
⎝ 2⎠
T2
ε2
PAREDES PLANAS GRISES A LAS
TEMPERATURAS T1 Y T2
LADRILLO PERFORADO
•
Q
•
q=
Q
= U (Ti − To )
A
1
1 LA LB LC
1 LD LE LF
1
=
+
+
+
+
+
+
+
+
U hci k A k B kC hca k D k E k F hco + hro
1
1
U=
=
1 LA LB LC
1 LD LE LF
1
RT
+
+
+
+
+
+
+
+
hci k A k B kC hca k D k E k F hco + hro
RT =
U TRANSMITANCIA TERMICA DEL CERRAMIENTO (W/m2.K)
AUMENTA AL INCREMENTARSE LA CONDUCTIVIDAD
TERMICA DE SUS MATERIALES INTEGRANTES
1 KCal/h.m2.K = 1,162 W/m2.K
Valores de resistencia térmica superficial propuestos por [NBE-CT-79]
RESISTENCIAS TÉRMICAS SUPERFICIALES DE CERRAMIENTOS
EN CONTACTO CON EL AIRE EXTERIOR EN m2.K/W
(CODIGO TÉCNICO DE EDIFICACION)
Valores de resistencia térmica de cámaras de aire según la NBE-CT-79.
CODIGO TECNICO DE EDIFICACIÓN
PROPIEDADES TERMICAS /CONDUCTIVIDAD TERMICA
IMPEDANCIA TÉRMICA
TODOS NOSOTROS HEMOS EXPERIMENTADO UNA SENSACIÓN DE
FRESCURA AGRADABLE AL TRASPASAR, EN UNA PESADA TARDE
VERANIEGA, EL UMBRAL DE UNA CASA SOLARIEGA O DE UNA
ERMITA Y PENETRAR EN SU INTERIOR UMBRÍO PROTEGIDO POR
ESPESOS MUROS DE PIEDRA.
EN ESTE CASO EL AMBIENTE AGRADABLE, INCLUSO FRESCO, ES LA
CONSECUENCIA DE SUPERPONER LA RESPUESTA DE UN EDIFICIO
CON UNA GRAN MASA TÉRMICA, CAPAZ DE REDISTRIBUIR LAS MÁS
BAJAS TEMPERATURAS NOCTURNAS CON LAS MÁS ELEVADAS DE
LAS HORAS DE INSOLACIÓN. TODO ELLO SUPERPUESTO CON UN
EFECTO DE ESCASA CAPTACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR.
ES LA CONSECUENCIA DE LA AUSENCIA DE APORTES Y DE QUE EL
EDIFICIO SE ENCARGA DE “PROMEDIAR” LAS TEMPERATURAS DE
LA EVOLUCIÓN DIARIA DANDO LUGAR A UNA TEMPERATURA CASI
CONSTANTE EN SU INTERIOR IGUAL O INFERIOR A LA MEDIA DE LA
TEMPERATURA EXTERNA EN AUSENCIA DE OTROS APORTES.
IMPEDANCIA TÉRMICA
SEA UN ESPACIO DETERMINADO CERRADO POR PAREDES
FÍSICAMENTE DISTINGUIBLES PERO DELGADAS. LA INTUICIÓN NOS
DICE QUE UN CERRAMIENTO DE ESTE TIPO NO OFRECERÁ APENAS
PROTECCIÓN ALGUNA RESPECTO DE LAS CONDICIONES
AMBIENTALES EXTERNAS Y, EN AUSENCIA DE APORTES AUXILIARES,
LA TEMPERATURA INTERIOR REFLEJARÁ LAS VARIACIONES DE LA
TEMPERATURA EXTERIOR.
IMPEDANCIA TÉRMICA
PARA PODER CUANTIFICAR ESTE FENÓMENO SE EMPLEA EL
CONCEPTO DE IMPEDANCIA TERMICA, QUE DEFINE LA
TRANSFERENCIA DE CALOR DE UN CERRAMIENTO EN
ESTADO DINÁMICO.
ESTE CONCEPTO PERMITE CUANTIFICAR E INTERPRETAR
CORRECTAMENTE EL COMPORTAMIENTO INERCIAL DE LOS
CERRAMIENTOS Y, EN GENERAL, DE LOS MATERIALES DE
CONSTRUCCIÓN
ESTADO ESTACIONARIO / COEFICIENTE DE TRANSMISION DE CALOR, U
RÉGIMEN DINÁMICO- IMPEDANCIA TERMICA, Z
LA IMPEDANCIA TERMICA SE DEFINE COMO EL COCIENTE ENTRE LA
AMPLITUD DE LA ONDA DE TEMPERATURA EXTERIOR Y LA AMPLITUD DE
LA ONDA DE FLUJO DE CALOR QUE ATRAVIESA EL CERRAMIENTO
2
(
)
IMPEDANCIA TERMICA m 2 .K / W = Z =
T
Q
⎛ ω RC ⎞
Z = R 1+ ⎜
⎟
⎝ 4 ⎠
R = L/k = RESISTENCIA TÉRMICA (m2.K/W)
C = ρceL= CAPACIDAD TERMICA (J/m2.K)
ω = FRECUENCIA DE LA ONDA (Rad/s)
(R Y C POR
UNIDAD
DE ÁREA)
A
L
Variación del flujo de calor que desde el interior entra en el muro (la parte
inferior) y temperatura en el exterior (en la superior),en función del tiempo.
Cerramiento muy poco inerte,de 20 cm de aislante.
Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente
para indicar el número de repeticiones de cualquier
fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo
FRECUENCIAS
BAJAS
FRECUENCIAS
ALTAS
EJEMPLOS DE ONDAS DE DISTINTAS FRECUENCIAS;
SE OBSERVA LA RELACIÓN INVERSA CON LA LONGITUD DE ONDA.
ADEMAS ENTRE LAS ONDAS DE TEMPERATURA Y DE FLUJO DE
CALOR QUE ATRAVIESA EL CERRAMIENTO EXISTE UN DESFASE
QUE INDICA EL TIEMPO QUE TARDA EN PENETRAR LA
PERTURBACIÓN EXTERIOR HACIA EL INTERIOR DEL EDIFICIO.
⎛ ω RC ⎞
DESFASE ( Horas ) = δ = Arctg ⎜
⎟
⎝ 4 ⎠
DESFASE
CUANTO MAYOR SEA
EL VALOR DEL
DESFASE MEJOR SERÁ
SU COMPORTAMIENTO
TÉRMICO
LA MASA TÉRMICA O INERCIA TÉRMICA DEL HORMIGÓN, PERMITE QUE EL
MURO TENGA UNA GRAN ABSORCIÓN DE CALOR, LO QUE CONTRIBUYE A
SUAVIZAR LAS DIFERENCIAS DE TEMPERATURA A LO LARGO DEL TIEMPO.
ESTO SE TRADUCE EN QUE LAS VIVIENDAS DE HORMIGÓN NO SE
SOBRECALIENTEN EN CONDICIONES DE ALTAS TEMPERATURAS (VERANO) NI
SE ENFRÍEN RÁPIDAMENTE EN CONDICIÓN DE BAJAS TEMPERATURAS
(INVIERNO), PERMITIENDO UN FUNCIONAMIENTO MÁS EFICIENTE DE LOS
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓN.
UN MURO DE GRAN MASA TÉRMICA (COMBINACIÓN DE MASA Y
CALOR ESPECÍFICO MEDIO) TIENE UN COMPORTAMIENTO TÉRMICO
MUY DIFERENTE AL DE UN MURO AISLANTE CONVENCIONAL.
EN VERANO EL MURO EVITARA QUE EN LAS HORAS CENTRALES
DEL DÍA LA TEMPERATURA DEL EDIFICIO SE DISPARE. GRACIAS A
LA INERCIA TÉRMICA DEL MURO CONSEGUIREMOS UNA
TEMPERATURA INTERIOR ESTABLE Y UN MÁXIMO CONFORT.
EN INVIERNO, EL MURO ACUMULA CALOR EN LAS HORAS EN QUE
LUCE EL SOL Y LO DISTRIBUYE A LO LARGO DEL DÍA. DE ESTE
MODO MINIMIZA LAS NECESIDADES DE CALEFACCIÓN DEL EDIFICIO
Y EVITA EL ENFRIAMIENTO NOCTURNO.
LOS MUROS DE GRAN ESPESOR, COMO SE CONSTRUÍAN ANTIGUAMENTE,
CONDUCEN A RESISTENCIAS Y CAPACIDADES ELEVADAS, DEJANDO PASAR
MUY MAL LAS ONDAS PERIÓDICAS DE
FRECUENCIAS DE UNO O VARIOS DÍAS.
REDUCIDA VARIACIÓN DE TEMPERATURA EN LAS BODEGAS ENTERRADAS,
MINAS O EN LAS CATEDRALES. SE MANTIENE PRÁCTICAMENTE CONSTANTE Y
MUY PRÓXIMA A LA TEMPERATURA MEDIA DE LA ZONA.
La impedancia térmica que presentan las paredes de las
cuevas es tan grande, que atenúa y filtra la onda térmica
ambiental hasta rectificarla casi en su totalidad.
LAS PERTURBACIONES TÉRMICAS DEBIDAS A UNA RÁFAGA DE
VIENTO O AL PASO DE UNA NUBE QUE OCULTA LOS RAYOS
SOLARES, SON RETENIDAS POR CUALQUIER CERRAMIENTO QUE
ACTÚA DE FILTRO PARA LAS GRANDES FRECUENCIAS.
SIN EMBARGO, SE REQUIEREN CERRAMIENTOS MUY INERCIALES
PARA HACER LO MISMO CON LAS ONDAS DIARIAS U OLAS DE
CALOR Y FRÍO DE VARIOS DÍAS (FRECUENCIAS BAJAS)
(R » RL)
Circuito equivalente SIMPLIFICADO de un muro homogéneo
⎛ ω RC ⎞
Z = R 1+ ⎜
⎟
⎝ 4 ⎠
2
⎛ ω RC ⎞
DESFASE ( Horas ) = δ = Arctg ⎜
⎟
⎝ 4 ⎠
(R » RL)
Circuito equivalente de un muro homogéneo. Aproximación de orden 3.
2
⎡ 2 ⎛ ω RC ⎞2 ⎤ ⎧⎪ 1 ⎡ ⎛ ω RC ⎞ ⎛ ω RC ⎞3 ⎤ ⎫⎪
Z = R ⎢1 − ⎜
⎟ ⎥ + ⎨ ⎢19 ⎜
⎟−⎜
⎟ ⎥⎬
3
9
12
9
9
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠ ⎥⎦ ⎪⎭
⎢⎣
⎥⎦ ⎪⎩ ⎢⎣
⎛ 1 ⎡ ⎛ ω RC ⎞ ⎛ ω RC ⎞3 ⎤ ⎞
⎜ ⎢19 ⎜
⎟−⎜
⎟ ⎥⎟
3
9
9
⎠ ⎝
⎠ ⎥⎦ ⎟
⎜ ⎢ ⎝
δ = Arctg ⎜ ⎣
⎟
2
8 ⎛ ω RC ⎞
⎜
⎟
4
−
⎜
⎟
⎜
⎟
3⎝ 9 ⎠
⎝
⎠
2