¿Qué significa conductividad térmica?

En general, la conductividad térmica de un material se refiere a la cantidad de calor que fluye a través de un cubo de 1x1x1 metro de dicho material en 1 segundo cuando existe un gradiente de temperatura de exactamente 1 Kelvin entre dos lados opuestos.

Esto convierte a la conductividad térmica en una propiedad característica del material con su propio símbolo (λ – “lambda”) y su unidad en el Sistema Internacional, que es W/mK (vatios por metro-kelvin). Su valor recíproco es la resistencia térmica específica.

Definición científica

La definición científica de la conductividad térmica la describe como la propiedad de un material que describe el transporte de calor dentro de una muestra. Para una 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 se puede describir como el cociente negativo de la densidad de flujo de calor y el gradiente de temperatura (Ecuación 2). El ejemplo en (Ecuación 3) sirve como ilustración.

(Ecuación 1): λ = ρ * α * Cp
(Ecuación 2): λ = -q / (dT/dx)
(Ecuación 3): λ = -10 W / (0.02 K/m)

λ = ρ * cp * α (1)

λ = conductividad térmica, ρ = densidad, cp = capacidad calorífica espec., α = difusividad térmica.

λ = -q / ∆T (2)

λ = conductividad térmica, q = densidad media de flujo térmico, ∆T = gradiente de temperatura.

Si esta definición se utiliza para considerar, por ejemplo, una muestra cilíndrica, se pueden realizar los siguientes cálculos: Si se considera un cilindro ideal homogéneo de longitud “l” y sección transversal constante “A”, que está aislado en sus lados y solo puede experimentar 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 en dirección del lado caliente al lado frío es λ * (∆T) / l.

Considerando la sección transversal “A”, existe un flujo de calor “Q” que se puede calcular 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 numerosos y variados, pero pueden dividirse en dos grupos básicos para una mejor comprensión: métodos de medición en estado transitorio y en estado estacionario.

En nuestro video, nuestros dos científicos explican la diferencia entre estos métodos.

Cuando un material se calienta localmente, la distribución de temperatura dentro del cuerpo cambia hasta que se distribuye de manera uniforme y se estabiliza después de cierto tiempo. La fase poco después del inicio de la entrada de calor, en la que la distribución de temperatura todavía está cambiando, se llama fase transitoria. Cuando la distribución de temperatura es estable, se le llama estado estacionario.

Métodos de medición estacionarios

Los métodos de placa, como el “Guarded Hot Plate“, el “Medidor de Flujo de Calor“, o el “Probador de Materiales de Interfaz Térmica”, pertenecen a los métodos de medición en estado estacionario.

En estos métodos, la muestra de material se coloca entre una placa calentada y una placa enfriada. Esto crea un gradiente de temperatura y, en consecuencia, un flujo de calor a lo largo de la muestra, que se monitorea hasta que se acerca a un valor final constante.

Conociendo el grosor de la muestra y el flujo de calor medido, se puede calcular la conductividad térmica de la muestra. Con el probador TIM, se puede medir la resistencia térmica bajo carga o compresión variable, y a partir de esto, se pueden determinar la conductividad térmica y la resistencia de contacto térmico.

Métodos de medición de transitorios

El método de destello con láser es uno de los métodos de medición en estado transitorio y se basa en una patente de 1975. A pesar de su alto costo y complejidad, todavía se utiliza ampliamente en la actualidad, ¡y con razón! Con el método de destello con láser, los materiales pueden ser probados completamente de forma automática incluso a las temperaturas más extremas de hasta 2,800 grados Celsius. Para la medición, el disco de muestra se expone en un lado a un pulso de calor corto y de alta energía generado por un láser o lámpara de destello. El aumento de temperatura resultante en el lado opuesto se registra con un detector infrarrojo. En relación con el grosor de la muestra, esto permite calcular la difusividad térmica utilizando un modelo de conductividad térmica.

Los métodos de alambre calefactor y tira calefactora son ampliamente utilizados, por ejemplo, en forma del método de Puente Térmico Transitorio, y también pertenecen a los métodos de medición en estado transitorio. Se pueden encontrar en una amplia variedad de configuraciones de sensores, se pueden utilizar de manera flexible y ofrecen la gama más amplia posible de aplicaciones y medidas. Insertado en un sustrato portador, el alambre calefactor emite un flujo de calor constante durante la medición, lo que provoca una distribución de temperatura que varía con el tiempo en la muestra, así como en el propio sensor. El aumento de temperatura con el 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 capas finas

La medición de la conductividad térmica en películas delgadas en el rango de nanómetros a micrómetros es un caso especial. Aunque algunos de los mismos principios de medición se pueden utilizar para este propósito, las formas de implementación, como el método de termorreflectancia en el dominio del tiempo (TDTR) en lugar del LaserFlash y el método 3 Omega como una forma especial del método de la tira calefactora, difieren considerablemente para adaptarse a las condiciones cambiantes.