Conductores de calor: qué son, ejemplos y características
¿Qué son los conductores de calor?
Los conductores de calor son aquellos materiales cuya estructura es tal que el calor puede transitar por ellos con mucha facilidad. Hay que recordar que toda la materia está compuesta de átomos y moléculas en constante movimiento vibratorio, y que el calor se traduce en una mayor agitación de dichas partículas.
Algunos materiales conducen el calor mejor que otros, porque su configuración interna facilita este flujo de energía. La madera, por ejemplo, no es un buen conductor del calor porque tarda mucho en calentarse. En cambio, el hierro, el cobre y otros metales sí lo son, lo que significa que sus partículas adquieren energía cinética con suma rapidez.
Por eso los metales son los favoritos para la fabricación de utensilios de cocina, como ollas y sartenes. Se calientan rápidamente y alcanzan temperaturas suficientemente altas como para que los alimentos se cocinen adecuadamente.
Sin embargo, mangos y asas, que están en contacto con las manos del usuario, se hacen de otros materiales aislantes del calor. De esta forma las sartenes se manipulan con facilidad aún estando calientes.
Tipos de conductores
En función de su forma de conducir el calor, los materiales se clasifican en:
- Conductores térmicos: el diamante y los metales como cobre, hierro, zinc y aluminio, entre otros. Usualmente los buenos conductores de electricidad también lo son del calor.
- Aislantes térmicos: madera, goma, fibra de vidrio, plástico, papel, lana, anime, corcho, polímeros son buenos ejemplos. Los gases tampoco son buenos conductores.
Conductividad térmica de los materiales
La propiedad que caracteriza intrínsecamente la forma en que cada uno de ellos conduce el calor se llama conductividad térmica. Cuanto más elevada es la conductividad térmica de una sustancia, mejor conduce el calor.
La conductividad térmica de las sustancias se determina experimentalmente. En el Sistema Internacional de Unidades SI, la conductividad térmica se mide en Watt/(metro x kelvin) o W/(m.K). Se interpreta de la siguiente forma:
1 W/(m.K) equivale a un 1 watt de potencia, transmitido a través de una longitud igual a 1 metro, cuando la diferencia de temperatura entre los dos extremos es de 1 kelvin.
Otra unidad para la conductividad térmica utilizada en los países anglosajones es BTUH/ (ft.ºF), donde las siglas BTUH corresponden a British Thermal Unit por hora.
Valores de la conductividad térmica
A continuación las conductividades térmicas de algunos elementos y materiales encontrados en la naturaleza y que son de uso frecuente en la industria.
Sin embargo, hay que acotar que existen compuestos sintéticos, aún en fase experimental, cuya conductividad térmica supera con mucho a la del diamante, que encabeza la tabla.
La temperatura es decisiva en el valor de la conductividad térmica de los metales. Al aumentar la temperatura también lo hace la conductividad térmica (aunque la eléctrica disminuye). Para los no metales, la conductividad térmica es aproximadamente constante en un amplio rango de temperaturas.
Los valores de la tabla están especificados a 25 ºC y 1 atmósfera de presión.
Al seleccionar un material por sus propiedades térmicas, es preciso tomar en cuenta que se expande con el calor. Esta capacidad viene dada por el coeficiente de expansión térmica.
Ejemplos de conductores de calor
Diamante
Es el mejor conductor térmico a temperatura ambiente, mucho mejor que el cobre y cualquier otro metal. En el diamante, que es un aislante eléctrico, el calor no fluye mediante los electrones de conducción sino por la propagación de vibraciones en su estructura cristalina, altamente organizada. Estas vibraciones reciben el nombre de fonones.
Plata
Es un metal muy apreciado para la ornamentación por su brillo, color y maleabilidad. Es resistente a la oxidación y entre todos los metales es el que tiene la mayor conductividad térmica, así como excelente conductividad eléctrica.
Por ello tiene múltiples aplicaciones en la industria, tanto sola como en aleaciones con otros elementos como níquel y paladio.
Cobre
Es uno de los metales más usados cuando se requiere una buena conductividad térmica, porque no se corroe fácilmente y su punto de fusión es bastante alto, lo que significa que no se derretirá fácilmente cuando es expuesto al calor.
Otras ventajas que tiene es su ductilidad, además de no ser magnético. El cobre es reciclable y es mucho menos costoso que la plata. Sin embargo, su coeficiente de expansión térmica es alto, con lo cual sus dimensiones cambian apreciablemente al calentarse.
Oro
Es el metal precioso por excelencia y ocupa un lugar preponderante en la historia de la humanidad. Aparte de este significado especial, el oro es maleable, resistente y un excelente conductor del calor y de la electricidad.
Como el oro no se corroe, se utiliza para transportar pequeñas corrientes en componentes electrónicos de estado sólido. Estas corrientes son tan pequeñas que se pueden interrumpir fácilmente al más mínimo indicio de corrosión, por ello el oro garantiza componentes electrónicos confiables.
Litio
Es el más ligero de todos los metales, aunque muy reactivo, por lo que se corroe con facilidad. También hay que manejarlo con mucha precaución, porque es altamente inflamable. Debido a ello, si bien es abundante, no se le encuentra en estado libre sino en compuestos, por lo cual debe ser aislado generalmente mediante métodos electrolíticos.
Su conductividad térmica es semejante a la del oro, pero resulta mucho más económico que este. El carbonato de litio es un compuesto empleado en la fabricación de vidrios y cerámicas resistentes al calor.
Aluminio
Este metal liviano, económico, altamente resistente y fácil de trabajar, es uno de los principales materiales usados para fabricar intercambiadores de calor en equipos de climatización, como aires acondicionados y calefactores.
Bronce
El bronce es una aleación de cobre y estaño principalmente, con otros metales en menor proporción. Ha estado presente desde tiempos remotos en la historia de la humanidad.
Es tan importante que incluso se ha nombrado a un período de la Prehistoria como la Edad del Bronce, la época en que las personas descubrieron y comenzaron a utilizar las propiedades de esta aleación.
Zinc
Es un metal blanco azulado muy maleable y dúctil, fácil de trabajar, aunque con bajo punto de fusión. Es conocido desde la antigüedad, principalmente empleado en aleaciones.
Actualmente, se usa para galvanizar acero y protegerlo así de la corrosión. También para fabricar baterías, pigmentos y manufacturar láminas de zinc especiales para la industria de la construcción.
Hierro
El hierro es otro metal con gran significado histórico. Así como el bronce, el hierro se vincula con una etapa de la Prehistoria en la que se produjeron grandes adelantos tecnológicos: la Edad del Hierro.
En la actualidad el hierro fundido sigue teniendo muchísimas aplicaciones para fabricar herramientas, utensilios, en la construcción y como material para la fabricación de partes automotrices.
Referencias
- CK-12. Thermal Conductors and Insulators. Recuperado de: ck12.org.
- Copper: Properties and Applications. Recuperado de: copperalliance.org.
- Efunda. Properties of commons solid materials. Recuperado de efunda.com
- Hill, D. Thermal Properties of Cast Iron. Recuperado de: ehow.com.