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Conductividad Térmica. Cárdenas Lorenzo, Bernardo
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CAPÍTULO II
MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
2.1 MÉTODOS ESTACIONARIOS
Entre los métodos de medición de la conductividad térmica adquirieron la mayor
difusión los métodos estacionarios. Su esencia de principio consiste en que la
temperatura en algunos puntos de la barra que se mide no varía en el proceso del
experimento. Al emplear los métodos estacionarios, los extremos de la barra por la cual
fluye el calor se mantienen a temperaturas diferentes pero invariables en el proceso del
experimento; de este modo la temperatura de cualquier punto depende tan sólo de su
coordenada y no del tiempo. Se obtiene una especie de flujo de calor estacionario. Los
métodos estacionarios se subdividen en absolutos y relativos.
A temperaturas bajas (por debajo de cero) y medias se puede aplicar el método en que
junto a un extremo a la barra se comunica mediante el calentamiento eléctrico una
determinada potencia (P, W), mientras que la temperatura del otro extremo de la barra
se mantiene constante. Si el aislamiento térmico es lo suficientemente bueno se puede
considerar que a través de cualquier sección S de la barra se trasmite toda la potencia P.
La diferencia de temperaturas (T1 - T2 ) establecida entre dos secciones que se
encuentran alejadas a una distancia l puede medirse valiéndose de un termopar
diferencial o de dos termopares ordinarios. La conductividad térmica se calcula a partir
de la ecuación
λ=
Pl
S (T1 − T2 )
(18)
y se refiere a la temperatura media (T1 − T 2 ) 2 .
Para determinar la conductividad térmica de los metales a temperaturas medias la barra
que de ensayo se coloca entre el baño calentador y el calorímetro de agua que sirve de
refrigerador. Por el calentamiento del agua en el refrigerador se juzga sobre la cantidad
de calor Q que pasa durante un intervalo de tiempo determinado por la barra sometida al
ensayo. Al medir, empleando los termopares, la diferencia de temperaturas entre los
puntos separados por una distancia conocida l y considerando la sección de la barra S,
por la fórmula (18) se puede calcular la conductividad térmica de la muestra.
Para determinar λ a bajas temperaturas también se emplean métodos relativos con los
cuales no se determina directamente el valor absoluto de la conductividad térmica, sino
éste se compara con el valor de la conductividad térmica de un patrón estudiado con
anterioridad y luego se calcula basándose en la correspondiente ecuación.
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Si una serie de barras idénticas por su sección, fabricadas de distintos metales y
cubiertas de una capa de cera se insertan, en posición horizontal en la pared lateral de un
recipiente con agua hirviendo, en estas barras comienza a derretirse la cera empezando
por los extremos más próximos a este recipiente. En este caso, cuando más alta es la
conductividad térmica de la barra, tanto mayor es la longitud x,
Fig. 09: Esquema del aparato para la determinación relativa de la conductividad térmica.
midiendo desde la pared del recipiente, en la cual se derrite la cera. Cuando las barras
son lo suficientemente largas, se puede considerar que las conductibilidades térmicas son
directamente proporcionales al cuadrado de la longitud en que tuvo lugar el
derretimiento (evidentemente, en esta longitud existe un mismo y determinado salto de
temperaturas), entonces tendríamos
λ1 x12
=
λ2 x22
(19)
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Si se conoce la conductividad térmica λ1 de una de las barras, entonces, midiendo las
longitudes del derretimiento x1 y x2 , se puede calcular la conductividad térmica de la
otra barra λ2 .
Dicho procedimiento puede servir de un medio bastante preciso para hallar la
conductividad térmica, si la distribución de la temperatura por la longitud se determina
no basándose en el derretimiento de la cera, sino valiéndose de un termopar móvil cuya
extremidad puede disponerse a cualquier distancia del calentador.
En la Fig. (09) se representa el esquema de un instrumento para la medición relativa de
la conductividad térmica. La muestra 1 y el patrón 2 se enroscan en el cilindro de cobre
3 por el cual circula el vapor de agua (la temperatura constante de 100º C) que sale del
calentador 4 y retorna a éste pasando por el refrigerador (a la derecha) en forma de agua
condensada. El calentamiento alcanza la ebullición del agua en el refrigerador se efectúa
por el calentamiento eléctrico de la espiral 5. La muestra y el patrón están recubiertos de
yoduro de mercurio y de plata HgJ 2 .2AgJ que a 45º C cambia su coloración amarilla por
anaranjada. Después de establecerse el estado estacionario del flujo térmico, se miden
x1 y x2 , o sea, las distancias desde el cilindro calentador hasta el límite de cambio del
color, y partiendo de estos datos, por la fórmula (19) se calcula la conductividad térmica
buscada. La precisión de este instrumento es de 10%, lo que se puede considerar
aceptable para una serie de casos prácticos.
A altas temperaturas (hasta 900ºC y mayores), en la determinación de la conductividad
térmica surgen considerables dificultades, pues las pérdidas de calor por irradiación
crecen proporcionalmente a T4 . Por regla general, los instrumentos para determinar la
conductividad térmica a altas temperaturas están provistos de un tubo protector
calentado que protege la barra a ensayar contra el enfriamiento. En estos instrumentos el
suministro de calor por un extremo de la barra se efectúa por medio de calentamiento
eléctrico, mientras que el otro extremo se enfría en agua, o bien, igualmente, se coloca
en un horno eléctrico con temperaturas más baja, pero también constante. Dichos
instrumentos pueden ser tan sólo absolutos: los métodos relativos no son adecuados
para altas temperaturas.
En la Fig. (10) se representa un instrumento para determinar la conductividad térmica a
altas temperaturas. La barra 1 que se ensaya se enrosca en un bloque de cobre 2 en cuyo
torno se dispone una espiral para efectuar el calentamiento eléctrico. La parte superior
de la barra 1 entra apretadamente en un cabezal de cobre 3 que se enfría por agua
circulante. La temperatura del agua que entra se mide con el termómetro 4, y la del agua
que sale con el termómetro 5. Conociendo el consumo de agua y la diferencia de
temperaturas en su entrada y salida se puede calcular la cantidad de calor que pasa en
unidad de tiempo por la sección de la muestra 1, si se admite que todo el calor que pasa
es llevado, sin pérdida alguna en su camino, por el cabezal enfriador 3. La distribución
de la temperatura por la longitud de la barra se halla mediante tres termopares 6, 7 y 8,
instalados a distancias determinadas y rigurosamente fijadas. Si se conoce la sección de
la muestra, la cantidad de calor arrastrada por el agua en una unidad de tiempo y el salto
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de temperaturas en una determinada longitud de la muestra (entre cualesquiera dos pares
termoeléctricos) sería posible calcular la conductividad térmica de la barra sometida al
ensayo por la ecuación (1).
Fig. 10. Esquema del aparato para determinar la conductividad térmica a altas temperaturas.
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Para disminuir las pérdidas de calor en la barra, alrededor de ésta se coloca una pantalla
metálica protectora 9 en forma de tubo; la caída total de la temperatura a lo largo de la
pantalla es la misma que en la barra ensayada, lo que excluye la evacuación transversal
del calor. Esto se garantiza por el hecho de que en su parte inferior la pantalla está
empotrada apretadamente al bloque 2 y en su parte superior se enfría con agua hasta la
misma temperatura que la muestra; el consumo de agua en el sistema refrigerador (en la
Fig. (10) a la izquierda) se elige de tal manera que el termómetro 10 indique la misma
temperatura que el termómetro 5.
Para medir la conductividad térmica a temperaturas más altas en lugar del refrigerador
de agua puede utilizarse un segundo horno eléctrico calentado hasta la temperatura más
baja que el horno inferior que es manantial de la corriente térmica durante el estado
estacionario de la muestra.
Un procedimiento cómodo y preciso de determinación de la cantidad de calor que
atraviesa la muestra es la medición de la energía eléctrica consumida para su
calentamiento por el lado del calentador. Este método tiene ventajas en comparación
con el de medición de la cantidad de calor arrastrado por el agua que se evacua por el
lado del refrigerador. Para el recuento exacto de la energía eléctrica consumida la célula
de resistencia (el calentador) debe colocarse no por el exterior de la muestra, sino dentro
de ésta, a consecuencia de lo cual disminuirán considerablemente las pérdidas de calor
no tomadas en cuenta.
2.2 APLICACIONES
a) Aplicaciones del aluminio: La combinación de la ligereza con resistencia y alta
conductividad eléctrica y térmica es la propiedad que convirtió el aluminio y sus
aleaciones en materiales de construcción importantísimos para la construcción de
aviones, de automóviles, de máquinas de transporte, para la electrotecnia, la
fabricación de motores de combustión interna, etc.
En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos,
recipientes y aparatos. Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo
volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el
magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para
construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en
las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada
conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones
de motores de combustión interna. Un alambre de aluminio de conductividad
comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que
el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de
alto voltaje a larga distancia. Actualmente se usan conductores de aluminio para
transmitir electricidad a 700,000 voltios o más. El metal es cada vez más importante
en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las tablas,
las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Se
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utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe
relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo
que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0.018 cm de espesor,
actualmente es muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros
productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su
compatibilidad con comidas y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores,
envoltorios flexibles, en botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos
recipientes es una medida de conservación de la energía cada vez más importante.
La resistencia del aluminio a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo
hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos. Se puede
preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que
proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas
elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de
blindaje para tanques y otros vehículos militares.
b) Aplicaciones del cobre: La aplicación por excelencia del cobre es como un material
conductor (cable), al que se destina alrededor del 45% del consumo de cobre. Otros
usos son:
• Tubos de condensadores y fontanería.
• Electroimanes.
• Motores eléctricos.
• Interruptores y relés, tubos de vacío, magnetrón de hornos microondas.
• Se tiende al uso del cobre en circuitos integrados en sustitución del aluminio de
menor conductividad.
• Acuñación de moneda (aleado con níquel), en la escultura (estatua de la
Libertad), en la construcción de campanas y otros usos ornamentales en
aleaciones con cinc (latón), estaño (bronces) y plata (en joyería).
• Aplicación en soldaduras de alta resistencia (Ag-Cu)
• Lentes de cristal de cobre empleados en radiología para la detección de
pequeños tumores [1].
El sulfato de cobre [1] es el compuesto de cobre de mayor importancia industrial
y se emplea en agricultura, en la purificación del agua y como conservante de la
madera.
c) Aplicaciones del níquel: Aproximadamente el 65% del níquel consumido se
emplea en la fabricación de acero inoxidable austenítico y otro 12% en
superaleaciones de níquel. El restante 23% se raparte entre otras aleaciones, baterías
recargables, catálisis, acuñación de moneda, recubrimientos metálicos y fundición:
• AlNiCo, aleación para imanes.
• El mu-metal se usa para apantallar campos magnéticos para su elevada
permeabilidad magnética.
• Las aleaciones níquel-cobre son muy resistentes a la corrosión, utilizándose en
motores marinos e industria química.
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La aleación níquel-titanio (nitinol-55) presenta el fenómeno de memoria de
forma y se usa en robótica, también existen aleaciones que presentan
superplasticidad.
Crisoles de laboratorios químicos.
Catálisis de la hidrogenación de aceites vegetales.
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