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conductividad térmica
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Conductividad Térmica
CI 57-AFísica de la Construcción
Transferencia de calor
Tres son las modalidades básicas de transferencia de calor, y engeneral se presentan juntos en los fenómenos reales deintercambio térmico.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor mediante ondaselectromagnéticas, las cuales no necesitan un medio paradesplazarse. La partícula o cuanto de energía electromagnética esel fotón, y la transferencia de calor por radiación puedeconsiderarse tanto en función de ondas electromagnéticas comoconsiderarse tanto en función de ondas electromagnéticas comoen función de fotones.
Toda la energía que abandona una superficie por emisión másreflexión se llama radiosidad J [W/m2].
Toda la energía radiante que incide sobre una superficie se llamaIrradiación G [W/m2].
Radiación
Un cuerpo negro se define como aquel que no refleja nada, por lotanto absorbe toda la radiación incidente. Por lo tanto, toda laradiación que proviene de un cuerpo negro es emitido por él (noproviene de la reflexión)
Ley de Stefan-Boltzmann 4TJ σ=
228 Km/W1067,5 −×=σ
Potencia de emisión de cuerpo negro
Temperatura de la superficie [K] Potencia de emisión [W/m2]
300 (temperatura ambiente) 4591000 (al rojo vivo) 56.7003000 (lámpara de filamento) 4.590.0003000 (lámpara de filamento) 4.590.0005760 (temperatura del sol) 62.400.000
Los objetos reales no son cuerpos negros, por lo tanto, emiten menosenergía que los cuerpos negros y se les llama cuerpos grises. Entonces laecuación anterior es alterada con un factor que se conoce comoemisividad ε.
Además, los objetos reales absorben menos energía que los cuerposnegros. La fracción de la radiación que se absorbe se llama absortividadα. La fracción de energía que se refleja es 1-α.
4TEmisión ⋅σ⋅ε=
La energía que abandona un cuerpo es energía que el cuerpo Emite másla energía que Refleja.
Para un cuerpo gris la absortividad es igual a la emisividad.
Tipo de superficie Emisividad (ε)ε=α
Tipo de superficie Emisividad (ε)
Aleación de aluminio sin oxidar 0,04Chapa de cromo 0,16Acero inoxidable 0,30Vidrio 0,80Asfalto 0,88Concreto 0,90Tierra 0,94
ε=α
Convección
La convección es la transferencia de calor mediante el movimientoo desplazamiento de partículas en un fluido (gas o líquidoprincipalmente).
Este movimiento o flujo puede ser forzado , como en el caso de unEste movimiento o flujo puede ser forzado , como en el caso de unlíquido que se bombea a una tubería o natural como sería elcausado por fuerzas de empuje debidas a una diferencia dedensidad. Además un flujo puede ser laminar o turbulento. Lasvelocidades de transferencia de calor son mayores en flujosturbulentos que en laminares.
Convección
En general, la velocidad de transferencia de calor por convecciónes una función complicada de la geometría y las temperaturas delas superficies, de la temperatura y la velocidad del fluido y de laspropiedades termofísicas de éste. En algunos casos la velocidadde transferencia de calor (q [W/m2])se puede tomar comode transferencia de calor (q [W/m2])se puede tomar comoproporcional a la diferencia de temperaturas entre la superficie y elfluido.
En cualquier caso de convección conviene emplear la ecuaciónanterior. El valor de h dependerá de muchas condiciones y hayfórmulas para cada caso o problema en particular.
Thq ∆⋅=
Convección
A modo de referencia se presenta la siguiente tabla:
Tipo fenómeno h [W/m2K]
Convección libre, aire 3 - 25Convección libre, agua 15 - 100Convección forzada, aire 10 - 200Convección forzada, agua 50 - 10.000Condensación de vapor 5.000 - 50.000
En el caso particular de viviendas:
Conducción
La conducción es un mecanismo de transferencia de energía térmica entredos sistemas basado en el contacto directo entre sus partículas.
A nivel microscópico los mecanismos físicos de la conducción soncomplicados: abarcan fenómenos tan variados como las colisionesmoleculares en los gases, las vibraciones de la red de los cristales y elmoleculares en los gases, las vibraciones de la red de los cristales y elflujo de electrones libres en los metales. Sin embargo, en Ingeniería seevita, en la medida de lo posible, la consideración de procesos a nivelmicroscópico y se prefiere las leyes fenomenológicas a nivelmacroscópico. Macroscópicamente se utiliza la Ley fenomenológica deFourier.
Conducción
h/kcalos/JoWenmedido,calordeFlujoQ =&
áreadeunidadporcalordeFlujoqQ ==&
áreadeunidadporcalordeFlujoqA
==
xT
q∂∂−α
xT
q∂∂⋅λ−=
Conducción
Las variables son separables: reordenando e integrando sobre el espesor de lapared.
∫ ∫ ⋅λ−=e
0
2T
1T
dTdxAQ&
Donde Q y A se sacan de la integral porque son constantes. Si se ignora lavariación de λ con respecto a la temperatura, se obtiene:
Se puede comparar la ecuación anterior con la ley de Ohm, I=V/R, y ∆T=T1-T2puede verse como un potencial impulsor del flujo de calor, así como el voltaje es elimpulsor de la corriente eléctrica. Entonces R=e/λA puede considerarse como unaresistencia térmica análoga a la resistencia eléctrica.
0 1TA
A/e2T1T
)2T1T(eA
Qλ
−=−λ=&
Conducción
Para interferir en el acondicionamiento térmico de viviendas y edificios lomás fácil es intervenir en la transferencia de calor por conducción. En elcaso de la radiación, se puede intervenir con el recubrimiento demateriales con emisividades altas o bajas dependiendo de losrequerimientos, pero los efectos no son considerables, ya que estosfenómenos son controlados principalmente por conducción y convección.fenómenos son controlados principalmente por conducción y convección.
En el caso de la convección no es mucho lo que se puede hacer, ya quehabría que variar la velocidad del aire y otros factores que estánpredefinidos. Es por eso que están tabulados los valores de lasresistencias térmicas superficiales, tanto exterior como interior.
La mejor manera de intervenir en la transferencia por conducción escambiando el valor de la conductividad térmica, es decir, cambiando elmaterial utilizado para aislar la vivienda, y modificando el espesor delmaterial empleado.
Conductividad térmica
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que dicecuan fácil es la conducción de calor a través de ellos. Los materialessólidos y metálicos tienen mayor conductividad térmica, por lo tantoconducen en forma más fácil el calor. Los materiales menos densos tienenbaja conductividad térmica y se dicen que son aislantes. El vacío tiene unacondutividad térmica nula (igual a cero)condutividad térmica nula (igual a cero)
En algunos procesos se busca aumentar la transferencia de calor paradisipar el calor en forma más eficiente y se emplean materialesconductores. En otros casos, se busca conseguir una buena aislación (enel caso de la construcción) y por lo tanto se emplean materiales aislantes.
Conductividad térmica
La conductividad térmica se designa con la letra lambda o en otros casos(principalmente en mecánica como k).Se define como la cantidad de calor necesaria por m2, para que atravesandodurante la unidad de tiempo 1 metro de material homogéneo se obtenga unadiferencia de 1º C entre las dos caras.
La conductividad térmica de los materiales varía con muchos parámetros:
TEMPERATURA: En general, para cada material, a mayor temperatura mayor es laconductividad térmica de él.
EJEMPLO:Lana mineral
Temperatura Conductividad Térmica [W/mK]40ºC 0,038100ºC 0,047200ºC 0,065
Conductividad térmica• Densidad
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA HORMIGÓN CELULAR
0,600
CO
ND
UC
TIV
IDA
D T
ÉR
MIC
A [W
/mºC
]
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 1400,0 1600,0
DENSIDAD MEDIA APARENTE [kg/m 3]
CO
ND
UC
TIV
IDA
D T
ÉR
MIC
A [W
/mºC
]
Conductividad térmica• Densidad
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA LANA DE VIDRIO
0,09
0,1
CO
ND
UC
TIV
IDA
D T
ÉR
MIC
A [W
/mºC
]
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 20 40 60 80 100 120 140
DENSIDAD MEDIA APARENTE [kg/m 3]
CO
ND
UC
TIV
IDA
D T
ÉR
MIC
A [W
/mºC
]
Conductividad térmica
HUMEDAD: Debido a que la conductividad del agua es aproximadamente0,6 W/mK, superior a la mayoría de los materiales empleados en laconstrucción, la incorporación de agua a un material hace aumentar elvalor de conductividad de este. Además, el agua llena los poros y haceaumentar la densidad del material. A mayor humedad mayorconductividad térmica. Los materiales mojados se sienten mucho másconductividad térmica. Los materiales mojados se sienten mucho másfríos que los materiales secos.
Conductividad térmica
Conductividad térmica
POSICIÓN u orientación: En algunos materiales anisotrópicos influye ladirección del flujo de calor en el valor de la conductividad térmica,como por ejemplo en la madera. En otros materiales la conductividades afectada por la orientación vertical u horizontal en que se mida.
DISTRIBUCIÓN y confinamiento : La homogeneidad de un material, porDISTRIBUCIÓN y confinamiento : La homogeneidad de un material, porejemplo que un material a granel esté bien esparcido (distribuido)genera menos espacios de aire y más chicos, lo que incide en unmejor valor de conductividad térmica.
COLOR: En algunos materiales, la absortividad de un color en particularpuede afectar el fenómeno de transferencia de calor por radiación, queocurre al interior del material, lo cual puede alterar el valor de laconductividad térmica aparente medida.
Conductividad Térmica[W/m2K]
41038021058583
1,61,41,2
Material
PlataCobre
AluminioAceroArena
MármolHormigón armadoEstuco mortero
Vidrio0,60,300,230,160,150,10
0,0600,0400,0400,0360,0260,024
Yeso - cartón
Aire quieto
Agua
FibrocementoRoble
Madera aglomeradaPino
Fibras de poliesterPoliestirenoLana mineralLana de vidrioPoliuretano
Mediciones de la conductividad térmica
En general los procesos de transferencia de calor son transientes y dependen del tiempo. Paramedir parámetros como la conductividad térmica es necesario que el fenómeno sea estacionarioy las variables involucradas sean estacionarias.
NCh850 Of.2008 Aislación térmica - Método para la determinación de la conductividad térmicaen estado estacionario por medio del anillo de guarda.Este equipo está constituido por una placa caliente y dos placas frías refrigeradas por agua.
Calefactor
Placa caliente
Placa fría superior
Probeta 2
Probeta 1
Placa fría inferior
Calefactor Principal
Calefactores de guarda
Mediciones de la conductividad térmica
Se genera un flujo de calor Q igual a la potencia eléctrica del calefactor(Voltaje multiplicado por corriente, V x I). Este flujo de calor atraviesaambas probetas, o lo que es lo mismo la mitad del flujo atraviesa cadaprobeta. Un calefactor de guarda impide que el calor del calefactorprincipal escape y lo homogeniza, haciéndolo perpendicular a lassuperficies de las probetas. Sensores de termocuplas se utilizan parasuperficies de las probetas. Sensores de termocuplas se utilizan paramedir las temperaturas de las superficies frías y calientes de las probetas.La conductividad térmica se obtiene de la fórmula:
Para otro tipo de materiales o probetas, como los aislantes tubulares se emplean otros equipos y otras normas.
)TfTc(A2
IVe
−⋅
⋅⋅=λ
NORMA ASTM C335 Método de ensayo estándar para medir propiedadesde transferencia de calor en estado estacionario de aislantes de tuberíashorizontales.
