Conduccion termica

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Proceso por el cual el calor es transferido dentro de un objeto

Conducción es el proceso por el cual el calor se transfiere desde el extremo más caliente al extremo más frío de un objeto. La capacidad del objeto para conducir el calor se conoce como su conductividad térmica y se denota como $k$ .

El calor fluye espontáneamente a lo largo de un gradiente de temperatura (es decir, de un cuerpo más caliente a un cuerpo más frío). Por ejemplo, el calor se conduce desde la placa calefactora de una estufa eléctrica hasta el fondo de una cacerola en contacto con ella. En ausencia de una fuente de energía de conducción externa opuesta, dentro de un cuerpo o entre cuerpos, las diferencias de temperatura decaen con el tiempo y se acerca al equilibrio térmico, la temperatura se vuelve más uniforme.

En la conducción, el flujo de calor está dentro ya través del propio cuerpo. Por el contrario, en la transferencia de calor por radiación térmica, la transferencia suele ser entre cuerpos, que pueden estar separados espacialmente. El calor también se puede transferir mediante una combinación de conducción y radiación. En los sólidos, la conducción está mediada por la combinación de vibraciones y colisiones de moléculas, propagación y colisiones de fonones y difusión y colisiones de electrones libres. En gases y líquidos, la conducción se debe a las colisiones y difusión de moléculas durante su movimiento aleatorio. Los fotones en este contexto no chocan entre sí, por lo que el transporte de calor por radiación electromagnética es conceptualmente distinto de la conducción de calor por difusión microscópica y colisiones de partículas materiales y fonones. Pero la distinción a menudo no se observa fácilmente a menos que el material sea semitransparente.

En las ciencias de la ingeniería, la transferencia de calor incluye los procesos de radiación térmica, convección y, a veces, transferencia de masa. Por lo general, más de uno de estos procesos ocurre en una situación dada.

Resumen

A escala microscópica, la conducción ocurre dentro de un cuerpo considerado estacionario; esto significa que las energías cinética y potencial del movimiento general del cuerpo se tienen en cuenta por separado. La energía interna se difunde a medida que los átomos y las moléculas que se mueven rápidamente o vibran interactúan con las partículas vecinas, transfiriendo algunas de sus energías cinéticas y potenciales microscópicas, y estas cantidades se definen en relación con la mayor parte del cuerpo considerado como estacionario. El calor se transfiere por conducción cuando los átomos o moléculas adyacentes chocan, o cuando varios electrones se mueven hacia adelante y hacia atrás de un átomo a otro de manera desorganizada para no formar una corriente eléctrica macroscópica, o cuando los fotones chocan y se dispersan. La conducción es el medio más significativo de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico. La conducción es mayor en los sólidos porque la red de relaciones espaciales fijas relativamente cercanas entre los átomos ayuda a transferir energía entre ellos por vibración.

La conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto. A menudo se observa una caída de temperatura en la interfaz entre las dos superficies en contacto. Se dice que este fenómeno es el resultado de una resistencia de contacto térmico que existe entre las superficies en contacto. La resistencia térmica interfacial es una medida de la resistencia de una interfaz al flujo térmico. Esta resistencia térmica difiere de la resistencia de contacto, ya que existe incluso en interfases atómicamente perfectas. Comprender la resistencia térmica en la interfaz entre dos materiales es de importancia primordial en el estudio de sus propiedades térmicas. Las interfaces a menudo contribuyen significativamente a las propiedades observadas de los materiales.

La transferencia intermolecular de energía podría ser principalmente por impacto elástico, como en los fluidos, o por difusión de electrones libres, como en los metales, o por vibración de fonones, como en los aisladores. En los aisladores, el flujo de calor es transportado casi en su totalidad por vibraciones de fonones.

Los metales (p. ej., cobre, platino, oro, etc.) suelen ser buenos conductores de la energía térmica. Esto se debe a la forma en que los metales se unen químicamente: los enlaces metálicos (a diferencia de los enlaces covalentes o iónicos) tienen electrones que se mueven libremente y transfieren energía térmica rápidamente a través del metal. El fluido de electrones de un sólido metálico conductor conduce la mayor parte del flujo de calor a través del sólido. El flujo de fonones todavía está presente pero transporta menos energía. Los electrones también conducen la corriente eléctrica a través de sólidos conductores, y las conductividades térmica y eléctrica de la mayoría de los metales tienen aproximadamente la misma proporción. Un buen conductor eléctrico, como el cobre, también conduce bien el calor. La termoelectricidad es causada por la interacción del flujo de calor y la corriente eléctrica. La conducción de calor dentro de un sólido es directamente análoga a la difusión de partículas dentro de un fluido, en la situación donde no hay corrientes de fluido.

En gases, la transferencia de calor ocurre a través de colisiones de moléculas de gas entre sí. En ausencia de convección, que se refiere a una fase de fluido o gas en movimiento, la conducción térmica a través de una fase de gas depende en gran medida de la composición y presión de esta fase, y en particular, de la vía libre media de moléculas de gas en relación con el tamaño de la brecha de gas, según el número de Knudsen $K_{n}$ .

Para cuantificar la facilidad con la que conduce un medio en particular, los ingenieros emplean la conductividad térmica, también conocida como constante de conductividad o coeficiente de conducción, k. En conductividad térmica, k se define como "la cantidad de calor, Q, transmitida en el tiempo (t) a través de un espesor (L), en una dirección normal a una superficie de área (A), debido a una diferencia de temperatura (ΔT) [... ]". La conductividad térmica es una propiedad del material que depende principalmente de la fase, la temperatura, la densidad y el enlace molecular del medio. La efusividad térmica es una cantidad derivada de la conductividad, que es una medida de su capacidad para intercambiar energía térmica con su entorno.

Conducción en estado estacionario

La conducción en estado estacionario es la forma de conducción que ocurre cuando las diferencias de temperatura que impulsan la conducción son constantes, de modo que (después de un tiempo de equilibrio), la distribución espacial de temperaturas (campo de temperatura) en el objeto conductor no no cambiar más. Por lo tanto, todas las derivadas parciales de la temperatura relacionadas con el espacio pueden ser cero o tener valores distintos de cero, pero todas las derivadas parciales de la temperatura en cualquier punto relacionado con el tiempo son uniformemente cero. En la conducción en estado estacionario, la cantidad de calor que ingresa a cualquier región de un objeto es igual a la cantidad de calor que sale (si esto no fuera así, la temperatura estaría subiendo o bajando, ya que la energía térmica fue captada o atrapada en una región).).

Por ejemplo, una barra puede estar fría en un extremo y caliente en el otro, pero después de alcanzar un estado de conducción estable, el gradiente espacial de temperaturas a lo largo de la barra no cambia más a medida que pasa el tiempo. En cambio, la temperatura permanece constante en cualquier sección transversal dada de la varilla normal a la dirección de transferencia de calor, y esta temperatura varía linealmente en el espacio en el caso de que no haya generación de calor en la varilla.

En la conducción en estado estacionario, todas las leyes de la conducción eléctrica de corriente continua se pueden aplicar a las "corrientes de calor". En tales casos, es posible tomar "resistencias térmicas" como el análogo a las resistencias eléctricas. En tales casos, la temperatura juega el papel del voltaje y el calor transferido por unidad de tiempo (potencia calorífica) es el análogo de la corriente eléctrica. Los sistemas de estado estacionario se pueden modelar mediante redes de tales resistencias térmicas en serie y en paralelo, en analogía exacta con las redes eléctricas de resistencias. Consulte los circuitos térmicos puramente resistivos para ver un ejemplo de dicha red.

Conducción transitoria

Durante cualquier período en el que las temperaturas cambien en el tiempo en cualquier lugar dentro de un objeto, el modo de flujo de energía térmica se denomina conducción transitoria. Otro término es "estado no estacionario" conducción, refiriéndose a la dependencia del tiempo de los campos de temperatura en un objeto. Las situaciones de estado no estacionario aparecen después de un cambio impuesto en la temperatura en un límite de un objeto. También pueden ocurrir con cambios de temperatura dentro de un objeto, como resultado de una nueva fuente o sumidero de calor que se introduce repentinamente dentro de un objeto, lo que hace que las temperaturas cerca de la fuente o el sumidero cambien con el tiempo.

Cuando ocurre una nueva perturbación de temperatura de este tipo, las temperaturas dentro del sistema cambian en el tiempo hacia un nuevo equilibrio con las nuevas condiciones, siempre que estas no cambien. Después del equilibrio, el flujo de calor hacia el sistema vuelve a ser igual al flujo de calor hacia afuera, y las temperaturas en cada punto dentro del sistema ya no cambian. Una vez que esto sucede, la conducción transitoria finaliza, aunque la conducción en estado estable puede continuar si continúa el flujo de calor.

Si los cambios en las temperaturas externas o los cambios en la generación de calor interna son demasiado rápidos para que se produzca el equilibrio de las temperaturas en el espacio, entonces el sistema nunca alcanza un estado de distribución de temperatura invariable en el tiempo y permanece en un estado transitorio.

Un ejemplo de una nueva fuente de calor "encendiendo" dentro de un objeto, que causa una conducción transitoria, es un motor que arranca en un automóvil. En este caso, la fase de conducción térmica transitoria de toda la máquina finaliza y aparece la fase de estado estable, tan pronto como el motor alcanza la temperatura de funcionamiento de estado estable. En este estado de equilibrio de estado estacionario, las temperaturas varían mucho de los cilindros del motor a otras partes del automóvil, pero en ningún punto del espacio dentro del automóvil la temperatura aumenta o disminuye. Después de establecer este estado, finaliza la fase de conducción transitoria de la transferencia de calor.

Nuevas condiciones externas también provocan este proceso: por ejemplo, la barra de cobre en el ejemplo de conducción en estado estable experimenta una conducción transitoria tan pronto como un extremo se somete a una temperatura diferente a la del otro. Con el tiempo, el campo de temperaturas dentro de la barra alcanza un nuevo estado estacionario, en el que finalmente se establece un gradiente de temperatura constante a lo largo de la barra, y este gradiente permanece constante en el tiempo. Por lo general, dicho nuevo gradiente de estado estacionario se aproxima exponencialmente con el tiempo después de que se ha introducido una nueva fuente o sumidero de temperatura o calor. Cuando una "conducción transitoria" finalizada, el flujo de calor puede continuar a alta potencia, siempre que las temperaturas no cambien.

Un ejemplo de conducción transitoria que no termina con la conducción en estado estable, sino que no termina con la conducción, ocurre cuando una bola de cobre caliente se deja caer en aceite a baja temperatura. Aquí, el campo de temperatura dentro del objeto comienza a cambiar en función del tiempo, a medida que se elimina el calor del metal, y el interés radica en analizar este cambio espacial de temperatura dentro del objeto a lo largo del tiempo hasta que todos los gradientes desaparezcan por completo (la bola ha alcanzado la misma temperatura que el aceite). Matemáticamente, esta condición también se aproxima exponencialmente; en teoría, lleva un tiempo infinito, pero en la práctica, se acaba, para todos los efectos, en un período mucho más corto. Al final de este proceso sin disipador de calor sino las partes internas de la bola (que son finitas), no hay conducción de calor en estado estacionario que alcanzar. Tal estado nunca ocurre en esta situación, sino que el final del proceso es cuando no hay conducción de calor en absoluto.

El análisis de los sistemas de conducción en estado no estacionario es más complejo que el de los sistemas en estado estacionario. Si el cuerpo conductor tiene una forma simple, entonces pueden ser posibles expresiones y soluciones matemáticas analíticas exactas (ver ecuación de calor para el enfoque analítico). Sin embargo, en la mayoría de los casos, debido a formas complicadas con conductividades térmicas variables dentro de la forma (es decir, la mayoría de los objetos, mecanismos o máquinas complejos en ingeniería), a menudo se requiere la aplicación de teorías aproximadas y/o análisis numérico por computadora. Un método gráfico popular implica el uso de gráficos de Heisler.

Ocasionalmente, los problemas de conducción transitoria pueden simplificarse considerablemente si se pueden identificar las regiones del objeto que se está calentando o enfriando, para las cuales la conductividad térmica es mucho mayor que la de las rutas de calor que conducen a la región. En este caso, la región con alta conductividad a menudo se puede tratar en el modelo de capacitancia concentrada, como un "bulto" de material con una capacitancia térmica simple que consiste en su capacidad calorífica agregada. Dichas regiones se calientan o enfrían, pero no muestran una variación de temperatura significativa a lo largo de su extensión, durante el proceso (en comparación con el resto del sistema). Esto se debe a su conductancia mucho más alta. Durante la conducción transitoria, por lo tanto, la temperatura a través de sus regiones conductoras cambia uniformemente en el espacio y como un exponencial simple en el tiempo. Un ejemplo de tales sistemas son aquellos que siguen la ley de enfriamiento de Newton durante el enfriamiento transitorio (o al revés durante el calentamiento). El circuito térmico equivalente consta de un condensador simple en serie con una resistencia. En tales casos, el resto del sistema con una alta resistencia térmica (conductividad comparativamente baja) desempeña el papel de la resistencia en el circuito.

Conducción relativista

La teoría de la conducción del calor relativista es un modelo compatible con la teoría de la relatividad especial. Durante la mayor parte del siglo pasado, se reconoció que la ecuación de Fourier está en contradicción con la teoría de la relatividad porque admite una velocidad infinita de propagación de señales de calor. Por ejemplo, según la ecuación de Fourier, un pulso de calor en el origen se sentiría instantáneamente en el infinito. La velocidad de propagación de la información es más rápida que la velocidad de la luz en el vacío, lo cual es físicamente inadmisible en el marco de la relatividad.

Conducción cuántica

El segundo sonido es un fenómeno mecánico cuántico en el que la transferencia de calor se produce mediante un movimiento ondulatorio, en lugar del mecanismo más habitual de difusión. El calor toma el lugar de la presión en las ondas sonoras normales. Esto conduce a una conductividad térmica muy alta. Se conoce como "segundo sonido" porque el movimiento ondulatorio del calor es similar a la propagación del sonido en el aire.

Ley de Fourier

La ley de conducción de calor, también conocida como ley de Fourier, establece que la tasa de transferencia de calor a través de un material es proporcional al gradiente negativo en la temperatura y al área, en ángulo recto con ese gradiente, por donde fluye el calor. Podemos enunciar esta ley en dos formas equivalentes: la forma integral, en la que observamos la cantidad de energía que entra o sale de un cuerpo como un todo, y la forma diferencial, en la que observamos las tasas de flujo o flujos de energía localmente.

La ley de enfriamiento de Newton es un análogo discreto de la ley de Fourier, mientras que la ley de Ohm es el análogo eléctrico de la ley de Fourier y las leyes de difusión de Fick. es su análogo químico.

Forma diferencial

La forma diferencial de la ley de conducción térmica de Fourier muestra que la densidad del flujo de calor local $mathbf {q}$ es igual al producto de conductividad térmica $k$ y el gradiente de temperatura local negativo $-nabla T$ . La densidad del flujo de calor es la cantidad de energía que fluye a través de un área de unidad por unidad de tiempo.

{displaystyle mathbf {q} =-knabla T,}

$mathbf {q}$ es la densidad del flujo de calor local, W/m²,
$k$ es la conductividad del material, W/(m·K),
${displaystyle nabla T}$ es el gradiente de temperatura, K/m.

La conductividad térmica $k$ a menudo se trata como una constante, aunque esto no siempre es verdad. Mientras que la conductividad térmica de un material generalmente varía con temperatura, la variación puede ser pequeña sobre un rango significativo de temperaturas para algunos materiales comunes. En materiales anisotrópicos, la conductividad térmica suele variar con orientación; en este caso $k$ está representado por un tensor de segundo orden. En materiales no uniformes, $k$ varía con ubicación espacial.

Para muchas aplicaciones simples, la ley de Fourier se usa en su forma unidimensional, por ejemplo, en la dirección $x$ :

{displaystyle q_{x}=-k{frac {dT}{dx}}.}

En un medio isotrópico, la ley de Fourier conduce a la ecuación del calor

{displaystyle {frac {partial T}{partial t}}=alpha left({frac {partial ^{2}T}{partial x^{2}}}+{frac {partial ^{2}T}{partial y^{2}}}+{frac {partial ^{2}T}{partial z^{2}}}right)}

Forma integral

Integrando la forma diferencial sobre la superficie total del material $S$ , llegamos a la forma integral de la ley de Fourier:

{displaystyle {frac {partial Q}{partial t}}=-k}

scriptstyle S

{displaystyle nabla Tcdot dmathbf {S}}

donde (incluidas las unidades SI):

${displaystyle {frac {partial Q}{partial t}}}$ es la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo (en W),
$dmathbf {S}$ es un elemento de superficie orientado (en m²).

La ecuación diferencial anterior, cuando se integra para un material homogéneo de geometría 1-D entre dos puntos finales a temperatura constante, da la tasa de flujo de calor como

{displaystyle {frac {Q}{Delta t}}=-kA{frac {Delta T}{Delta x}},}

$Delta t$ es el intervalo de tiempo durante el cual la cantidad de calor $Q$ flujos a través de una sección transversal del material,
$A$ es la superficie transversal,
$Delta T$ es la diferencia de temperatura entre los extremos,
$Delta x$ es la distancia entre los extremos.

Esta ley forma la base para la derivación de la ecuación del calor.

Conductancia

Escribir

{displaystyle U={frac {k}{Delta x}},}

U

La ley de Fourier también se puede establecer como:

{displaystyle {frac {Delta Q}{Delta t}}=UA,(-Delta T).}

La reciproca de la conducta es la resistencia, ${displaystyle {big.}R}$ es dado por:

{displaystyle R={frac {1}{U}}={frac {Delta x}{k}}={frac {A,(-Delta T)}{frac {Delta Q}{Delta t}}}.}

La resistencia es aditiva cuando varias capas conductoras se encuentran entre las regiones caliente y fría, porque $A$ y $Q$ son iguales para todas las capas. En una partición multicapa, la conductancia total está relacionada con la conductancia de sus capas por:

{displaystyle R=R_{1}+R_{2}+R_{3}+cdots }

{displaystyle {frac {1}{U}}={frac {1}{U_{1}}}+{frac {1}{U_{2}}}+{frac {1}{U_{3}}}+cdots }

Entonces, cuando se trata de una partición multicapa, generalmente se usa la siguiente fórmula:

{displaystyle {frac {Delta Q}{Delta t}}={frac {A,(-Delta T)}{{frac {Delta x_{1}}{k_{1}}}+{frac {Delta x_{2}}{k_{2}}}+{frac {Delta x_{3}}{k_{3}}}+cdots }}.}

Para la conducción de calor de un fluido a otro a través de una barrera, a veces es importante considerar la conductancia de la delgada película de fluido que permanece estacionaria junto a la barrera. Esta delgada película de fluido es difícil de cuantificar porque sus características dependen de condiciones complejas de turbulencia y viscosidad, pero cuando se trata de barreras delgadas de alta conductancia, a veces puede ser bastante significativa.

Representación de propiedad intensiva

Las ecuaciones de conducta anteriores, escritas en términos de propiedades extensas, pueden ser reformuladas en términos de propiedades intensivas. Idealmente, la fórmula para la conducta debe producir una cantidad con dimensiones independientes de distancia, como la Ley de Ohm para la resistencia eléctrica, $R = V/I,!$ , y conducta, $G = I/V ,!$ .

De la fórmula eléctrica: ${displaystyle R=rho x/A}$ , donde *** es resistividad, x es longitud, y A es zona transversal, tenemos $G = k A / x ,!$ , donde G es conducta, k es conductividad, x es longitud, y A es zona transversal.

Para el calor,

{displaystyle U={frac {kA}{Delta x}},}

U

La ley de Fourier también se puede establecer como:

{displaystyle {dot {Q}}=U,Delta T,}

{displaystyle I=V/R}

{displaystyle I=VG.}

El recíproco de la conductancia es la resistencia, RL, dada por:

{displaystyle R={frac {Delta T}{dot {Q}}},}

{displaystyle R=V/I.}

Las reglas para combinar resistencias y conductancias (en serie y en paralelo) son las mismas tanto para el flujo de calor como para la corriente eléctrica.

Carcasas cilíndricas

La conducción a través de cáscaras cilíndricas (por ejemplo, tuberías) se puede calcular desde el radio interno, $r_{1}$ , el radio externo, $r_{2}$ , la longitud, $ell$ , y la diferencia de temperatura entre la pared interior y exterior, $T_2 - T_1$ .

La superficie del cilindro es ${displaystyle A_{r}=2pi rell }$

Cuando se aplica la ecuación de Fourier:

{displaystyle {dot {Q}}=-kA_{r}{frac {dT}{dr}}=-2kpi rell {frac {dT}{dr}}}

{displaystyle {dot {Q}}int _{r_{1}}^{r_{2}}{frac {1}{r}},dr=-2kpi ell int _{T_{1}}^{T_{2}}dT}

{displaystyle {dot {Q}}=2kpi ell {frac {T_{1}-T_{2}}{ln(r_{2}/r_{1})}}}

{displaystyle R_{c}={frac {Delta T}{dot {Q}}}={frac {ln(r_{2}/r_{1})}{2pi kell }}}

{textstyle {dot {Q}}=2pi kell r_{m}{frac {T_{1}-T_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}

{textstyle r_{m}={frac {r_{2}-r_{1}}{ln(r_{2}/r_{1})}}}

Esférico

La conducción a través de una cáscara esférica con radio interno, $r_{1}$ , y radio externo, $r_{2}$ , se puede calcular de manera similar en cuanto a una cáscara cilíndrica.

La superficie de la esfera es: $A=4pi r^{2}.$

Resolviendo de manera similar a una capa cilíndrica (ver arriba) se produce:

{displaystyle {dot {Q}}=4kpi {frac {T_{1}-T_{2}}{1/{r_{1}}-1/{r_{2}}}}=4kpi {frac {(T_{1}-T_{2})r_{1}r_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}

Conducción térmica transitoria

Interfaz de transferencia de calor

La transferencia de calor en una interfaz se considera un flujo de calor transitorio. Para analizar este problema, el número de Biot es importante para entender cómo se comporta el sistema. El número de Biot está determinado por:

{displaystyle {textit {Bi}}={frac {hL}{k}}}

h

{displaystyle mathrm {frac {J}{m^{2}sK}} }

{displaystyle q=-h,Delta T,}

{displaystyle {frac {T-T_{f}}{T_{i}-T_{f}}}=exp left({frac {-hAt}{rho C_{p}V}}right).}

El coeficiente de transferencia de calor, $h$ , se mide en $mathrm{frac{W}{m^2 K}}$ , y representa la transferencia de calor en una interfaz entre dos materiales. Este valor es diferente en cada interfaz y es un concepto importante en la comprensión del flujo de calor en una interfaz.

La solución en serie se puede analizar con un nomograma. Un nomograma tiene una temperatura relativa como la coordenada $y$ y el número de Fourier, que se calcula mediante

{displaystyle {textit {Fo}}={frac {alpha t}{L^{2}}}.}

El número de Biot aumenta a medida que disminuye el número de Fourier. Hay cinco pasos para determinar un perfil de temperatura en términos de tiempo.

Calcular el número de Biot
Determinar qué profundidad relativa importa, o x o L.
Convertir tiempo en el número Fourier.
Convertir $T_{i}$ a temperatura relativa con las condiciones del límite.
Comparado requerido para indicar el número de Biot especificado en el nomograma.

Aplicaciones de conducción térmica

Enfriamiento por salpicadura

El enfriamiento Splat es un método para apagar pequeñas gotas de materiales fundidos por contacto rápido con una superficie fría. Las partículas experimentan un proceso de enfriamiento característico, con el perfil de calor en $t=0$ para la temperatura inicial como máximo $x=0$ y $T=0$ a $x = -infin$ y $x = infin$ , y el perfil de calor $t=infin$ para ${displaystyle -infty leq xleq infty }$ como las condiciones del límite. El enfriamiento de Splat termina rápidamente en una temperatura de estado estable, y es similar en forma a la ecuación de difusión gausiana. El perfil de temperatura, con respecto a la posición y hora de este tipo de refrigeración, varía con:

{displaystyle T(x,t)-T_{i}={frac {T_{i}Delta X}{2{sqrt {pi alpha t}}}}exp left(-{frac {x^{2}}{4alpha t}}right)}

El enfriamiento Splat es un concepto fundamental que se ha adaptado para uso práctico en forma de rociado térmico. El coeficiente de difusividad térmica, representado como $alpha$ , puede ser escrito como $alpha =frac{k}{rho C_p}$ . Esto varía según el material.

Templado de metales

El enfriamiento de metales es un proceso de transferencia de calor transitorio en términos de transformación de tiempo y temperatura (TTT). Es posible manipular el proceso de enfriamiento para ajustar la fase de un material adecuado. Por ejemplo, el templado apropiado del acero puede convertir una proporción deseable de su contenido de austenita en martensita, creando un producto muy duro y fuerte. Para lograr esto, es necesario apagar en la "nariz" (o eutéctico) del diagrama TTT. Dado que los materiales difieren en sus números de Biot, el tiempo que tarda el material en apagarse, o el número de Fourier, varía en la práctica. En acero, el rango de temperatura de enfriamiento es generalmente de 600°C a 200°C. Para controlar el tiempo de extinción y seleccionar medios de extinción adecuados, es necesario determinar el número de Fourier a partir del tiempo de extinción deseado, la caída de temperatura relativa y el número de Biot relevante. Por lo general, las cifras correctas se leen de un nomograma estándar. Al calcular el coeficiente de transferencia de calor a partir de este número de Biot, se puede encontrar un medio líquido adecuado para la aplicación.

Ley cero de la termodinámica

Un enunciado de la llamada ley cero de la termodinámica se centra directamente en la idea de la conducción del calor. Bailyn (1994) escribe que "la ley cero puede establecerse: Todas las paredes diatérmicas son equivalentes".

Una pared diatérmica es una conexión física entre dos cuerpos que permite el paso de calor entre ellos. Bailyn se refiere a las paredes diatérmicas que conectan exclusivamente dos cuerpos, especialmente las paredes conductoras.

Esta declaración de la "ley cero" pertenece a un discurso teórico idealizado, y los muros físicos reales pueden tener peculiaridades que no se ajustan a su generalidad.

Por ejemplo, el material de la pared no debe sufrir una transición de fase, como evaporación o fusión, a la temperatura a la que debe conducir el calor. Pero cuando solo se considera el equilibrio térmico y el tiempo no es urgente, por lo que la conductividad del material no importa demasiado, un conductor de calor adecuado es tan bueno como otro. Por el contrario, otro aspecto de la ley cero es que, sujeta de nuevo a las restricciones adecuadas, una pared diatérmica determinada es indiferente a la naturaleza del baño térmico al que está conectada. Por ejemplo, el bulbo de vidrio de un termómetro actúa como una pared diatérmica ya sea expuesto a un gas o un líquido, siempre que no lo corroan o lo derritan.

Estas diferencias se encuentran entre las características definitorias de la transferencia de calor. En cierto sentido, son simetrías de transferencia de calor.

Instrumentos de conducción térmica

Analizador de conductividad térmica

La propiedad de conducción térmica de cualquier gas en condiciones estándar de presión y temperatura es una cantidad fija. Esta propiedad de un gas de referencia conocido o mezclas de gases de referencia conocidos puede, por lo tanto, utilizarse para ciertas aplicaciones sensoriales, como el analizador de conductividad térmica.

El funcionamiento de este instrumento se basa en principio en el puente de Wheatstone que contiene cuatro filamentos cuyas resistencias son iguales. Cada vez que un determinado gas pasa por dicha red de filamentos, su resistencia cambia debido a la conductividad térmica alterada de los filamentos y, por lo tanto, cambia la salida de voltaje neto del puente de Wheatstone. Esta salida de voltaje se correlacionará con la base de datos para identificar la muestra de gas.

Sensor de gases

El principio de conductividad térmica de los gases también se puede utilizar para medir la concentración de un gas en una mezcla binaria de gases.

Funcionamiento: si el mismo gas está presente alrededor de todos los filamentos del puente de Wheatstone, entonces se mantiene la misma temperatura en todos los filamentos y, por lo tanto, también se mantienen las mismas resistencias; resultando en un puente de Wheatstone balanceado. Sin embargo, si la muestra de gas diferente (o la mezcla de gases) se pasa sobre un juego de dos filamentos y el gas de referencia sobre el otro juego de dos filamentos, entonces el puente de Wheatstone se desequilibra. Y la salida de voltaje neto resultante del circuito se correlacionará con la base de datos para identificar los constituyentes del gas de muestra.

Con esta técnica, se pueden identificar muchas muestras de gas desconocidas comparando su conductividad térmica con otro gas de referencia de conductividad térmica conocida. El gas de referencia más utilizado es el nitrógeno; ya que la conductividad térmica de la mayoría de los gases comunes (excepto el hidrógeno y el helio) es similar a la del nitrógeno.

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