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La conductividad térmica es una propiedad física que describe la capacidad de un material de transferir calor por conducción, esto es, por contacto directo y sin intercambio de materia. Es una magnitud intensiva (no depende de la cantidad de materia) y la propiedad inversa es la resistividad térmica. La energía térmica siempre fluye de forma espontánea de mayor a menor concentración, esto es, de caliente a frío. Esto implica que la transmisión de calor por conducción se da de un cuerpo a otro que está a menor temperatura o entre zonas de un mismo material pero con temperatura diferente.

Descripción y características

Las partículas que forman un objeto, como sus moléculas, con alta energía térmica se mueven más rápido que las de un objeto con menor energía térmica, en otras palabras, cuánto más caliente está un objeto más energía cinética tienen los átomos y moléculas que lo forman.

Cuándo las moléculas de una parte del objeto se calientan, pueden moverse y chocar entre sí transfiriendo la energía térmica a otras moléculas del objeto. En el caso de los sólidos, cuándo se calientan sus partículas vibran más rápido haciendo que las partículas adyacentes vibren también más rápido al transferir el calor. La partícula que transfiere la energía se enfría y su movimiento se hace más lento, y la partícula que absorbe la energía se calienta y se mueve o vibra más rápido. Esto continua hasta que el objeto alcanza el equilibrio térmico.

La energía térmica se puede transferir por tres métodos:

  1. Conducción: transmisión de calor por contacto sin trasferencia de materia
  2. Convección: transmisión de calor por contacto con transferencia de la propia materia que porta el calor
  3. Radiación: transmisión de calor mediante la emisión de ondas electromagnéticas o fotones (por ejemplo, el calor del Sol llega a la Tierra por radiación).

Tanto el proceso de conducción como convección requiere que haya contacto entre las moléculas de los diferentes materiales entre los que se transfiere calor pero en la conducción, a diferencia de la convección, no hay transferencia ni movimiento de materia en su conjunto.

Un ejemplo de transferencia de calor por conducción podríamos verlo en una olla de metal sobre el fuego. Los gases de la combustión entran en contacto con el fondo de la olla y la calientan por conducción. El metal de la olla transfiere a su vez el calor por conducción a los alimentos o líquidos del interior. En el caso de líquidos, se generan corrientes convectivas en las que moléculas del líquido calientes se mueven y se mezclan con las frías calentando al resto del líquido por convección.

La tasa de transferencia de calor que un objeto realiza por conducción es lo que mide la conductividad térmica. Un objeto con baja conductividad transfiere menos calor que un objeto con alta conductividad. Debido a esta propiedad, algunos materiales se utilizan como aislantes térmicos mientras que otros se utilizan en aplicaciones que requieren una alta transferencia de calor. De forma general, los sólidos tienen una conductividad térmica mayor que gases y líquidos.

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La conducción de calor en los metales se produce principalmente por movimiento de electrones y en menor medida por vibración molecular. La transferencia por el movimiento de electrones es mucho más eficiente y por eso los metales son generalmente mejores conductores térmicos que los materiales no metálicos. Por ejemplo, el cobre tiene una conductividad de 380 vatios por kelvin y metro, y el poliuretano 0,035 vatios por kelvin y metro.

Unidades de medida

En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la unidad de conductividad térmica se define, para un cuerpo homogéneo isótropo, como el flujo térmico de un vatio, sin intercambio de materia, entre dos planos paralelos de un metro cuadrado de superficie de un objeto con un metro de espesor y una diferencia de temperatura entre ellos de un grado Kelvin. Se mide por tanto en W/(K·m) (watios por Kelvin y metro), equivalente a J/(s·K·m) (Julios por segundos, Kelvin y metro).

La unidad de conductividad térmica en el SI se representa por la letra griega λ (lamda). En Estados Unidos se suele utilizar la letra k. La conductividad térmica viene determinada por la Ley de Fourier:

\lambda = \frac{\dot{q}}{|\nabla T|}

dónde:

  • q es el flujo de calor (por unidad de tiempo y unidad de área)
  • ∇T es el gradiente de temperatura

Un material con una conductividad térmica de 1 vatio por metro y kelvin indica que 1 J de calor se propaga por este material en 1 segundo entre dos caras que tienen una diferencia de temperatura de 1 K, una superficie de 1 m2 y un espesor de 1 m.

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  • Miluu udsf

    Me pueden ejemplos de la conductividad térmica:aislante térmico

    • im a helper

      todo menos metales y el grafito