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En general, la conductividad térmica es la cantidad de calor que fluye a través de un cubo de 1 x 1 x 1 m de un material en 1 segundo cuando hay un gradiente de temperatura de exactamente 1 K entre dos lados opuestos.
Esto hace que la conductividad térmica sea una propiedad característica del material con su propio símbolo (λ – «lambda») y su propia unidad SI W / mK.
Su valor recíproco es la resistencia térmica específica.
Definición científica
La definición científica de conductividad térmica la define como la propiedad material que describe el transporte de calor dentro de una muestra. Para cualquier temperatura dada de la muestra, se obtiene a partir del producto de la densidad, la difusividad térmica y la capacidad calorífica específica a esa temperatura (ecuación 1) y puede describirse como el cociente negativo de la densidad del flujo de calor y el gradiente de temperatura (ecuación 2). El ejemplo de la (ecuación 3) sirve de ilustración.
λ = ρ * cp * α (1)
λ = conductividad térmica, ρ = densidad, cp = espec. capacidad calorífica, α = difusividad térmica.
λ = -q / ∆T (2)
λ = conductividad térmica, q = densidad media del flujo térmico, ∆T = gradiente de temperatura.
Si se utiliza esta definición para considerar, por ejemplo, una muestra cilíndrica, se pueden realizar los siguientes cálculos: Si se considera un cilindro homogéneo ideal de longitud l y sección transversal constante A, que está aislado por su lado y sólo puede tener un cambio de temperatura en sus dos extremos, el gradiente de temperatura a lo largo de su longitud es (∆T) / l. La densidad del flujo de calor con la dirección del lado caliente al frío es λ * (∆T) / l.
Considerando la sección transversal A, existe un flujo de calor Q que puede calcularse con (ecuación 3):
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = conductividad térmica, Q = flujo de calor, ∆T = gradiente de temperatura, A = sección transversal, l = longitud
Medición de la conductividad térmica (métodos):
Los métodos de medición para determinar la conductividad térmica son muy variados y pueden dividirse en dos grupos principales: medición transitoria y medición estacionaria.
En nuestro vídeo, nuestros dos científicos explican la diferencia entre estos métodos.
Si un material se calienta localmente, la distribución de la temperatura dentro del cuerpo cambia hasta que se distribuye uniformemente y se estabiliza al cabo de cierto tiempo. La fase poco después del inicio del aporte de calor, en la que la distribución de la temperatura sigue cambiando, se denomina fase transitoria. Cuando la distribución de la temperatura es estable, se denomina estado estacionario.
Métodos de medición estacionarios
Métodos de plancha como la «Placa caliente protegida«, la «Medida de Flujo Térmico» o el «Probador de materiales de interfaz térmica «pertenecen a los métodos de medición estacionarios.
La muestra de material se coloca entre una placa calentada y otra enfriada.
Esto provoca un gradiente de temperatura y, en consecuencia, un flujo de calor a lo largo de la muestra, que se controla hasta que se aproxima a un valor final constante.
Conociendo el espesor de la muestra y el flujo térmico se puede calcular la conductividad térmica de la muestra.
Con el TIM Tester, se puede medir la resistencia térmica bajo carga variable o compresión y, a partir de ella, determinar la conductividad térmica y la resistencia térmica de contacto.
Métodos de medición de transitorios
El método Laser Flash es uno de los métodos de medición transitoria y se basa en una patente de 1975.
A pesar de su elevado coste y complejidad, sigue siendo muy utilizado hoy en día.
¡Y con razón!
Con el método laser flash, los materiales pueden probarse de forma totalmente automática incluso a las temperaturas más extremas, de hasta 2.800 grados Celsius.
Para la medición, el disco de muestra se expone por un lado a un breve pulso de calor de alta energía procedente de un láser o una lámpara de destello.
El aumento de temperatura resultante en la cara opuesta se registra con un detector de infrarrojos.
En relación con el grosor de la muestra, esto permite calcular la difusividad térmica mediante un modelo de conductividad térmica.
Los métodos del hilo calefactor y la cinta calefactora se utilizan mucho, por ejemplo en forma del método del puente caliente transitorio (THB), y también pertenecen a los métodos de medición transitoria.
Se pueden encontrar en una gran variedad de configuraciones de sensores, se pueden utilizar con flexibilidad y ofrecen la gama más amplia posible de aplicaciones y mediciones.
Incrustado en un sustrato portador, el hilo calefactor emite un flujo de calor constante durante la medición, lo que provoca una distribución de la temperatura variable en el tiempo, tanto en la muestra como en el propio sensor.
El aumento de temperatura a lo largo del tiempo se mide mediante un termómetro integrado y sirve como medida de las propiedades de transporte térmico del material.
Característica especial: Medición de la conductividad térmica en película delgada
La medición de la conductividad térmica en láminas delgadas en el rango de nm a μm es un caso especial.
Aunque pueden utilizarse algunos de los mismos principios de medición para este fin, las formas de aplicación – termorreflexión en el dominio del tiempo en lugar de LaserFlash y el método 3 Omega como forma especial del método de la cinta calefactora- difieren considerablemente para ajustarse a las condiciones de contorno modificadas.
