CAPÍTULO II MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Transcripción

1 CAPÍTULO II MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA. MÉTODOS ESTACIONARIOS Entre los métodos de medición de la conductividad térmica adquirieron la mayor difusión los métodos estacionarios. Su esencia de principio consiste en que la temperatura en algunos puntos de la barra que se mide no varía en el proceso del experimento. Al emplear los métodos estacionarios, los extremos de la barra por la cual fluye el calor se mantienen a temperaturas diferentes pero invariables en el proceso del experimento; de este modo la temperatura de cualquier punto depende tan sólo de su coordenada y no del tiempo. Se obtiene una especie de flujo de calor estacionario. Los métodos estacionarios se subdividen en absolutos y relativos. A temperaturas bajas (por debajo de cero) y medias se puede aplicar el método en que junto a un extremo a la barra se comunica mediante el calentamiento eléctrico una determinada potencia (P, W), mientras que la temperatura del otro extremo de la barra se mantiene constante. Si el aislamiento térmico es lo suficientemente bueno se puede considerar que a través de cualquier sección S de la barra se trasmite toda la potencia P. La diferencia de temperaturas (T - T ) establecida entre dos secciones que se encuentran alejadas a una distancia l puede medirse valiéndose de un termopar diferencial o de dos termopares ordinarios. La conductividad térmica se calcula a partir de la ecuación Pl λ = (8) S( T T ) y se refiere a la temperatura media ( T ). T Para determinar la conductividad térmica de los metales a temperaturas medias la barra que de ensayo se coloca entre el baño calentador y el calorímetro de agua que sirve de refrigerador. Por el calentamiento del agua en el refrigerador se juzga sobre la cantidad de calor Q que pasa durante un intervalo de tiempo determinado por la barra sometida al ensayo. Al medir, empleando los termopares, la diferencia de temperaturas entre los puntos separados por una distancia conocida l y considerando la sección de la barra S, por la fórmula (8) se puede calcular la conductividad térmica de la muestra. Para determinar λ a bajas temperaturas también se emplean métodos relativos con los cuales no se determina directamente el valor absoluto de la conductividad térmica, sino éste se compara con el valor de la conductividad térmica de un patrón estudiado con anterioridad y luego se calcula basándose en la correspondiente ecuación.

2 Si una serie de barras idénticas por su sección, fabricadas de distintos metales y cubiertas de una capa de cera se insertan, en posición horizontal en la pared lateral de un recipiente con agua hirviendo, en estas barras comienza a derretirse la cera empezando por los extremos más próximos a este recipiente. En este caso, cuando más alta es la conductividad térmica de la barra, tanto mayor es la longitud x, Fig. 09: Esquema del aparato para la determinación relativa de la conductividad térmica. midiendo desde la pared del recipiente, en la cual se derrite la cera. Cuando las barras son lo suficientemente largas, se puede considerar que las conductibilidades térmicas son directamente proporcionales al cuadrado de la longitud en que tuvo lugar el derretimiento (evidentemente, en esta longitud existe un mismo y determinado salto de temperaturas), entonces tendríamos λ λ = x x (9)

3 Si se conoce la conductividad térmica λ de una de las barras, entonces, midiendo las longitudes del derretimiento x y x, se puede calcular la conductividad térmica de la otra barra λ. Dicho procedimiento puede servir de un medio bastante preciso para hallar la conductividad térmica, si la distribución de la temperatura por la longitud se determina no basándose en el derretimiento de la cera, sino valiéndose de un termopar móvil cuya extremidad puede disponerse a cualquier distancia del calentador. En la Fig. (09) se representa el esquema de un instrumento para la medición relativa de la conductividad térmica. La muestra y el patrón se enroscan en el cilindro de cobre 3 por el cual circula el vapor de agua (la temperatura constante de 00º C) que sale del calentador 4 y retorna a éste pasando por el refrigerador (a la derecha) en forma de agua condensada. El calentamiento alcanza la ebullición del agua en el refrigerador se efectúa por el calentamiento eléctrico de la espiral 5. La muestra y el patrón están recubiertos de yoduro de mercurio y de plata HgJ.AgJ que a 45º C cambia su coloración amarilla por anaranjada. Después de establecerse el estado estacionario del flujo térmico, se miden x y x, o sea, las distancias desde el cilindro calentador hasta el límite de cambio del color, y partiendo de estos datos, por la fórmula (9) se calcula la conductividad térmica buscada. La precisión de este instrumento es de 0%, lo que se puede considerar aceptable para una serie de casos prácticos. A altas temperaturas (hasta 900ºC y mayores), en la determinación de la conductividad térmica surgen considerables dificultades, pues las pérdidas de calor por irradiación crecen proporcionalmente a T 4. Por regla general, los instrumentos para determinar la conductividad térmica a altas temperaturas están provistos de un tubo protector calentado que protege la barra a ensayar contra el enfriamiento. En estos instrumentos el suministro de calor por un extremo de la barra se efectúa por medio de calentamiento eléctrico, mientras que el otro extremo se enfría en agua, o bien, igualmente, se coloca en un horno eléctrico con temperaturas más baja, pero también constante. Dichos instrumentos pueden ser tan sólo absolutos: los métodos relativos no son adecuados para altas temperaturas. En la Fig. (0) se representa un instrumento para determinar la conductividad térmica a altas temperaturas. La barra que se ensaya se enrosca en un bloque de cobre en cuyo torno se dispone una espiral para efectuar el calentamiento eléctrico. La parte superior de la barra entra apretadamente en un cabezal de cobre 3 que se enfría por agua circulante. La temperatura del agua que entra se mide con el termómetro 4, y la del agua que sale con el termómetro 5. Conociendo el consumo de agua y la diferencia de temperaturas en su entrada y salida se puede calcular la cantidad de calor que pasa en unidad de tiempo por la sección de la muestra, si se admite que todo el calor que pasa es llevado, sin pérdida alguna en su camino, por el cabezal enfriador 3. La distribución de la temperatura por la longitud de la barra se halla mediante tres termopares 6, 7 y 8, instalados a distancias determinadas y rigurosamente fijadas. Si se conoce la sección de la muestra, la cantidad de calor arrastrada por el agua en una unidad de tiempo y el salto

4 de temperaturas en una determinada longitud de la muestra (entre cualesquiera dos pares termoeléctricos) sería posible calcular la conductividad térmica de la barra sometida al ensayo por la ecuación (). Fig. 0. Esquema del aparato para determinar la conductividad térmica a altas temperaturas.

5 Para disminuir las pérdidas de calor en la barra, alrededor de ésta se coloca una pantalla metálica protectora 9 en forma de tubo; la caída total de la temperatura a lo largo de la pantalla es la misma que en la barra ensayada, lo que excluye la evacuación transversal del calor. Esto se garantiza por el hecho de que en su parte inferior la pantalla está empotrada apretadamente al bloque y en su parte superior se enfría con agua hasta la misma temperatura que la muestra; el consumo de agua en el sistema refrigerador (en la Fig. (0) a la izquierda) se elige de tal manera que el termómetro 0 indique la misma temperatura que el termómetro 5. Para medir la conductividad térmica a temperaturas más altas en lugar del refrigerador de agua puede utilizarse un segundo horno eléctrico calentado hasta la temperatura más baja que el horno inferior que es manantial de la corriente térmica durante el estado estacionario de la muestra. Un procedimiento cómodo y preciso de determinación de la cantidad de calor que atraviesa la muestra es la medición de la energía eléctrica consumida para su calentamiento por el lado del calentador. Este método tiene ventajas en comparación con el de medición de la cantidad de calor arrastrado por el agua que se evacua por el lado del refrigerador. Para el recuento exacto de la energía eléctrica consumida la célula de resistencia (el calentador) debe colocarse no por el exterior de la muestra, sino dentro de ésta, a consecuencia de lo cual disminuirán considerablemente las pérdidas de calor no tomadas en cuenta.. APLICACIONES a) Aplicaciones del aluminio: La combinación de la ligereza con resistencia y alta conductividad eléctrica y térmica es la propiedad que convirtió el aluminio y sus aleaciones en materiales de construcción importantísimos para la construcción de aviones, de automóviles, de máquinas de transporte, para la electrotecnia, la fabricación de motores de combustión interna, etc. En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos, recipientes y aparatos. Un volumen dado de aluminio pesa menos que /3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia. Actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700,000 voltios o más. El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Se

6 utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0.08 cm de espesor, actualmente es muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, en botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de conservación de la energía cada vez más importante. La resistencia del aluminio a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos. Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares. b) Aplicaciones del cobre: La aplicación por excelencia del cobre es como un material conductor (cable), al que se destina alrededor del 45% del consumo de cobre. Otros usos son: Tubos de condensadores y fontanería. Electroimanes. Motores eléctricos. Interruptores y relés, tubos de vacío, magnetrón de hornos microondas. Se tiende al uso del cobre en circuitos integrados en sustitución del aluminio de menor conductividad. Acuñación de moneda (aleado con níquel), en la escultura (estatua de la Libertad), en la construcción de campanas y otros usos ornamentales en aleaciones con cinc (latón), estaño (bronces) y plata (en joyería). Aplicación en soldaduras de alta resistencia (Ag-Cu) Lentes de cristal de cobre empleados en radiología para la detección de pequeños tumores []. El sulfato de cobre [] es el compuesto de cobre de mayor importancia industrial y se emplea en agricultura, en la purificación del agua y como conservante de la madera. c) Aplicaciones del níquel: Aproximadamente el 65% del níquel consumido se emplea en la fabricación de acero inoxidable austenítico y otro % en superaleaciones de níquel. El restante 3% se raparte entre otras aleaciones, baterías recargables, catálisis, acuñación de moneda, recubrimientos metálicos y fundición: AlNiCo, aleación para imanes. El mu-metal se usa para apantallar campos magnéticos para su elevada permeabilidad magnética. Las aleaciones níquel-cobre son muy resistentes a la corrosión, utilizándose en motores marinos e industria química.

7 La aleación níquel-titanio (nitinol-55) presenta el fenómeno de memoria de forma y se usa en robótica, también existen aleaciones que presentan superplasticidad. Crisoles de laboratorios químicos. Catálisis de la hidrogenación de aceites vegetales.