Materiales conductores y aislantes de calor

Referencia: «Increíble material que aísla y conduce el calor al mismo tiempo», por Zuyuan Wang, Konrad Rolle, Theresa Schilling, Patrick Hummel, Alexandra Philipp, Bernd A. F. Kopera, Anna M. Lechner, Markus Retsch, Josef Breu y George Fytas: Tunable, 12 de noviembre de 2019. Edición internacional de Angewandte Chemie. DOI: 10.1002/ange.201911546 De la tabla de la derecha se desprende que la mayoría de los materiales generalmente asociados a ser buenos conductores tienen una alta conductividad térmica.

Principalmente los metales tienen una conductividad térmica muy alta, lo que se compara bien con lo que se conoce sobre los metales. Asimismo, los materiales aislantes como el aerogel y los aislantes utilizados en los hogares tienen una baja conductividad térmica, lo que indica que no dejan pasar el calor a través de ellos con facilidad. Por tanto, una baja conductividad térmica indica un buen material aislante.

Los materiales intermedios no tienen propiedades aislantes ni conductoras significativas. El cemento y el vidrio no conducen grandes cantidades de calor ni aíslan muy bien. La idea de que la conductividad térmica de ciertos materiales está relacionada con su capacidad de aislamiento establece una conexión entre la conductividad térmica y los valores R/U. Dado que los valores U y R expresan lo bien que un determinado material resiste el flujo de calor, la conductividad térmica desempeña un papel en la configuración de estos valores.

Sin embargo, los valores U y R también dependen del grosor del material, mientras que la conductividad térmica no lo tiene en cuenta. Las propiedades térmicas de los materiales aislantes y de otros materiales habituales en la construcción de buques pesqueros se conocen o pueden medirse con precisión. Podemos calcular la cantidad de flujo de transmisión de calor dentro de cualquier combinación de materiales.

Sin embargo, es necesario entender algunos términos técnicos específicos para calcular las pérdidas de calor y conocer los factores que intervienen. La terminación «-idad» indica la propiedad de un material cuyo espesor no es importante, y la terminación «-ance» se refiere a la propiedad de un cuerpo específico con un espesor determinado. Una kilocaloría 1000 calorías o 1 kcal es la cantidad de calor y energía necesaria para elevar la temperatura de un kilo de agua en un grado Celsius °C. En el estándar SI, la unidad de energía es el Joule J. Una kcal es 4,18 kJ, que varía ligeramente con la temperatura.

Otra unidad de energía es la unidad térmica británica Btu, y una Btu es aproximadamente una kJ. En términos sencillos, es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor a través de su masa. Todos los tipos de materiales y también los diferentes materiales aislantes tienen valores específicos de conductividad térmica que pueden emplearse para medir su eficacia aislante. Puede describirse como la cantidad de calor/energía en kcal, Btu o J que puede conducirse en la unidad de tiempo a través de la unidad de superficie con la unidad de espesor del material mientras tenemos una unidad de diferencia de temperatura.

Podemos mostrar la conductividad térmica en Btu ft-1 °F-1, kcal m-1 °C-1, y en el sistema SI, es W m-1 °C-1 W se refiere a Watt. La conductividad térmica también se identifica como el valor k. Se denomina lambda la letra griega y se designa como la cantidad de calor en kcal conducida a través de un m2 de material en una hora, con un espesor de 1 m, mientras que el descenso de temperatura es de 1 °C a través del cuerpo en condiciones estables de flujo de calor.

La conductancia térmica se verifica mediante ensayos y es la calificación principal para cualquier material. lt también puede mostrarse como Btu ft-2 h-1 °F-1 por pie cuadrado, hora y grado Fahrenheit en la unidad térmica británica o en unidades SI como W m-2 K-1. El recíproco del valor k 1/k se conoce como resistividad térmica.

El calor también puede transferirse por radiación. Puede que lo hayas experimentado al sentarte alrededor de una hoguera. Aunque no estés tocando el fuego, puedes sentirlo irradiando calor en tu cara aunque haga frío fuera.

Si te gusta beber el té caliente, te preguntarás cómo se puede reducir la transferencia de calor y cómo se evita que el té se enfríe. La respuesta es el aislamiento térmico. Aislar significa crear una barrera entre el objeto caliente y el frío que reduzca la transferencia de calor, ya sea reflejando la radiación térmica o disminuyendo la conducción y convección térmica de un objeto a otro.

Dependiendo del material de la barrera, el aislamiento será más o menos eficaz. Las barreras que conducen muy mal el calor son buenos aislantes térmicos, mientras que los materiales que conducen muy bien el calor tienen una baja capacidad de aislamiento. En esta actividad, comprobarás qué materiales son buenos o malos aislantes térmicos con la ayuda de un vaso de agua caliente.

¿Qué material crees que será más eficaz? Una forma de reducir la convección es crear bolsas de aire alrededor del tarro, por ejemplo, utilizando aislantes como el plástico de burbujas, la tela o la lana, que tienen muchas bolsas de aire. El aire en general es un buen aislante térmico, pero puede transmitir el calor por convección.

Sin embargo, si las bolsas de aire dentro del material aislante se separan