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¿CON QUÉ DISPOSITIVO O PROCEDIMIENTO SE PUEDE DETERMINAR LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE UN MATERIAL? Luis Nùñez1 1Licenciatura

en Ingeniería Electromecánica – Centro Regional de Azuero– Universidad Tecnológica de Panamá

Resumen- Este documento proporciona métodos implementados para determinar la conductividad térmica k de materiales. Palabras claves- conductividad térmica, método, transferencia de calor. Abstract– This document provides methods implemented to determine the thermal conductivity k of materials. Keywords– Thermal conductivity, method, heat transfer.

1. Introducción El conocer los valores de las propiedades termo físicas es importante en todos los procesos donde ocurre intercambio de energía, en particular calor.

barras concéntricas de referencia en contacto con la muestra, la parte inferior se encuentra en contacto con una fuente caliente y la superior con una fuente fría a temperatura constante. La conductividad térmica del material se determina a partir de los valores de temperatura en las distintas barras, la posición de los termopares y el valor de conductividad del material de referencia. [1]

2. Conductibilidad Térmica(k) 3.2. Aparato de Placa Caliente con Guarda (APCG). La conductividad térmica de un material es una medida de su capacidad de transferir energía térmica (calor), al imponerle un gradiente de temperatura. Los valores experimentales de esta propiedad termo física de transporte se usan en el diseño y simulación de cargas térmicas en edificios, en la operación de plantas y sistemas que utilizan energía, en la optimización o mejora del diseño de diversos componentes en las plantas de procesos industriales, en particular de equipos que involucran transferencia de calor por conducción.[2]

3. Métodos

Para medir la conductividad térmica de materiales aislantes se puede usar un Aparato de Placa Caliente con Guarda (APCG). El principio de operación de un APCG se basa sobre la técnica de transferencia de calor por conducción en estado permanente entre dos placas frías y una placa caliente central que tiene una guarda 3.2.1. Principio de Operación Es un aparato primario que utiliza la técnica de transferencia de calor por conducción en estado permanente y permite determinar la conductividad térmica mediante la Ecuación (1):

3.1. El Método De Las Barras Concéntricas Cortadas El método consiste en medir la conductividad térmica de una muestra de material de referencia por una técnica de estado permanente. El sistema emplea un método secundario de medición. El método secundario se desarrolló para barras concéntricas y consiste en un protocolo de medición, caracterizaciones y estudios que permiten evaluar la incertidumbre en términos de unidades del Sistema Internacional. El método de barras es una disposición de

𝜆=

𝑞𝑙 ሺ𝐴Δ𝑇ሻ

(1)

donde q es la rapidez del flujo de calor a través de la muestra en W, λ es la conductividad térmica de la muestra en W/m K, ∆ T es la diferencia de temperatura a través de la muestra en K o C, l es el espesor de la muestra en m y A es el área de la sección transversal en m2.

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3.3.1. Principio de Medición Cualquiera que sea el método de medición de conductividad que normalmente se usa para la medición de conductividad térmica, esto es el método de placa caliente aislada o el método de medidor de flujo de calor, el principio de medición se basa en la llamada Ley de Fourier de conducción. Para un material isotrópico esta ley se escribe a continuación: En coordenadas cartesianas, el componente x de esta ecuación es:

𝑞̇ = −𝑘∇𝑡 Fig. 1 Aparato para medir la conductibilidad térmica de materiales sólidos aislantes.

y si el flujo de calor es unidimensional:

3.2.2. Procedimiento para Realizar las Mediciones

𝑞̇ = −𝑘

El procedimiento para realizar las mediciones se puede resumir en las siguientes etapas:

𝜕𝑡 𝜕𝑥

1. Selección de la muestra, 2. Preparación de la muestra e instalación en el aparato, 3. Establecer el estado permanente térmico,

Esto establece que en estado estable el grado de conducción de calor q es proporcional a la sección transversal A(x) normal a la dirección de flujo y al gradiente de temperatura

4. Adquisición de datos, y

∂t/∂x a lo largo de la trayectoria de conducción.

5. Análisis de resultados. Los resultados con este método presentan una incertidumbre del 2% para los materiales aislantes; y del 10% para los materiales no aislantes o que exceden los límites de operación definidos en el patrón nacional.[2]

3.3. Aparato de Placas Calientes Aisladas. El aparato de placa caliente aislada es el instrumento de medición primario para las mediciones de conductividad térmica de aislantes

𝑞 = 𝑞̇ 𝐴ሺ𝑥ሻ = −𝑘𝐴ሺ𝑥ሻ

∂t ∂x

La constante de proporcionalidad k es llamada la conductividad térmica “verdadera” del material. Como es poco práctico medir dt/dx, el gradiente de temperatura en un punto dentro del espécimen, la definición operacional de la conductividad térmica es k=q/(∆T/L) donde L es el espesor del espécimen. 3.3.2. Diseño Térmico

térmicos. Consta de una placa caliente que suministra el calor a las muestras que se colocan a ambos lados de la placa. El calor fluye a través de las dos muestras por acción de la diferencia de temperatura de la placa caliente y las dos placas frías que se colocan atrás de la muestra. Ver figura 2.

El corazón del aparato se puede decir que es la placa caliente aislada. Esta placa consta de dos secciones: la sección de medición y la sección de la guarda. Ambas secciones se diseñan para obtener la menor incertidumbre debidas a pérdidas de calor que suministra y que se toma en cuenta para el cálculo de la conductividad térmica. El diseño consiste en una placa circular de material altamente conductor de conductividad λp y espesor m, dividido en una sección de medición y una sección de aislamiento (o guarda) y separados por un espacio en r =b. La sección de medición es calentada establemente por un calentador lineal circular ideal en r=a; la guarda es calentada similarmente por una fuente lineal en r=c. Se presume que la placa será apisonada entre dos muestras planas similares de

Figura 2. Aparato de Placas Calientes Aisladas.

conductividad λs y espesor l, los cuales están en contacto con su cara exterior con las placas planas de las placas frías que se asumen que son isotérmicas en temperatura v=0.

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Se tiene una solución aproximada para la distribución de temperatura en el aparato de placa caliente aislada con calentador lineal circular. Esa solución es aproximada en que desprecia el flujo de calor en la placa caliente en la dirección axial, y el flujo de calor en la muestra en la dirección radial. [2]

Método de prueba estándar para el calor estacionario)

en estado

Este método de ensayo establece los criterios de la medición del flujo de calor de estado estacionario a través de muestras planas y homogéneas cuando sus superficies están en contacto con un tramo sólido y paralelo a temperatura constantes usando una placa calentada. El ensayo está diseñado para este fin y se lo conoce como aparato de placa caliente protegida y es un método absoluto, el

3.4. Calorimetría diferencial de barrido La mayoría de las veces se utiliza para medir la resistencia de un polímero de transferencia de calor es calorimetría diferencial de barrido, o DSC. La forma más común de este método se utiliza tanto para la muestra y un material de control para ser colocados en recipientes de metal, separados sobre un disco termoeléctrico de una resistencia térmica conocida. Entonces, una sustancia metálica pura se coloca en la parte superior de la muestra, donde se disuelve, controlando así la temperatura en la cámara de prueba. Este método produce mediciones simples y rápidos, pero no tiene en cuenta la resistencia térmica de contacto entre la muestra y el horno. Además, la conductividad de la muestra de polímero se puede medir sólo a la temperatura a la que la sustancia de metal se disuelve. DSC métodos alternativos que utilizan un tanque equipado con sensores de temperatura térmica adicionales. Esto permite a los investigadores medir la conductividad térmica a una gama de temperaturas, pero requiere sensores de temperatura adicionales.[3]

método de ensayo es comparable, pero no idéntico, al método según la Norma ISO 8302. Los requisitos necesarios para construir y operar un aparato de placa caliente protegido. Cubre una amplia variedad de construcciones de aparatos, condiciones de prueba y condiciones de operación. Los mismos que estarán detallados y que se ajustan a este método de ensayo, no puede que se dan muy claramente, pero deben desarrollarse dentro de las limitaciones de los requisitos generales. Los ejemplos de análisis, conceptos y procedimientos utilizados en el diseño, también se abarca los modos de medición tanto de un solo lado como los de doble cara permitiendo a si a los diseños de placas de calefacción de fuente distribuida. La norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad, asociados con su uso, si los hay, establece las prácticas de seguridad y salud, determinando la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes de su uso. El funcionamiento de la prueba se basa en la placa de calentamiento protegida proporciona la potencia o el flujo de calor por unidad de tiempo para la medición, definiendo el volumen real de la prueba, es decir, que la parte de la muestra está realmente siendo medida. La función del recipiente primario y, en su caso, del depósito

3.5. Steady-State

coplanario adicional del aparato de placa caliente, es de

Técnicas para el flujo de calor "estado estacionario" incluyen un

proporcionar las condiciones térmicas adecuadas dentro del

número de métodos para películas delgadas en el que un flujo de

volumen de ensayo para reducir el flujo de calor lateral dentro del

calor es forzado a través de una muestra por un calentador en un

aparato. Las condiciones apropiadas están idealizadas por lo que la

lado de ella y una base con una temperatura fija en el otro. La

configuración de las superficies isotérmicas y las líneas de flujo de

resistencia térmica se puede calcular a partir de la diferencia de

calor son constante dentro de la muestra. Este método de ensayo

temperatura y se utiliza para calcular la conductividad. En este

cubre la medición del flujo de calor y las condiciones de prueba

método, se debe tener cuidado para evitar las pérdidas de calor al

asociadas para los especímenes. El aparato de placa caliente

ambiente externo en lugar de fluir a través de la muestra con el fin

protegida se usa generalmente para medir el flujo de calor en estado

de obtener resultados fiables. También, una vez más, la resistencia

estacionario a través de materiales que tienen una conductividad

de contacto en las interfaces puede influir en la medición de la

térmica baja o comúnmente designados como los aislantes térmicos.

resistencia térmica de la película y la conductividad. .[3]

La exactitud de medición dependerá de la una geometría de la muestra si de ser necesario una gran relación de área al espesor o no.[4]

3.6 La prueba estándar para mediciones de flujo térmico en estado estacionario y las propiedades de la transmisión por medio de una placa caliente protegida. (ASTM C177:

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5. CONCLUSIONES

Propiedades Termo físicas, División Termometría, Área Eléctrica Centro Nacional de Metrología, España 2011.

Por lo que pude investigar he concluido que cada uno del método que encontré para medir conductibilidad térmica está basado en algún mecanismo de transferencia de calor o principio termodinámico, también se utiliza las propiedades que caracteriza el material para describir su comportamiento térmico.

[2]L. Lira-Cortés, González Rodríguez, O. J., MéndezLango, "Medición de la Conductividad Térmica de Algunos Materiales Utilizados en Edificaciones", Centro Nacional de Metrología, Santiago de Querétaro, México,2008. [email protected]

REFERENCIAS [1]Leonel Lira Cortés, “Medición de la conductividad térmica de materiales sólidos conductores”, Laboratorio de

[3]https://docplayer.es/9825745-Capitulo-ii-metodos-demedicion-de-la-conductividad-termica.html [4]Norma: ASTM C177: Método de prueba estándar para el calor en estado estacionario. Mediciones de Flujo y Propiedades de Transmisión Térmica por medio del aparato de placa-caliente protegido16 CFR 460,5 (a).