Conductivitat tèrmica

Diferències en la conductivitat tèrmica demostrades per la fosa de neu a les llambordes.

La conductivitat tèrmica (simbolitzada λ o k) és la mesura de la facilitat amb la qual la calor passa a través d'un material i depèn únicament de la natura del material i no de la seva forma.^[1] Tècnicament, és la quantitat d'energia que passa per unitat de temps a través d'una secció de material d'una unitat d'àrea, sotmesa a un gradient de temperatura entre les dues cares.^[2][3]

La conductivitat tèrmica es pot definir com la constant de proporcionalitat entre el flux de calor a observar i el gradient de temperatura que el provoca:

Conductivitat tèrmica = flux de calor / (gradient de temperatura)

o en fórmules, en el supòsit que una barra llarga d amb secció S, i que té els seus dos extrems en contacte amb dues fonts de calor a diferents temperatures:

${\displaystyle k={\frac {Q_{taxa}\cdot d}{S\cdot (T_{2}-T_{1})}}}$

On:

• Q_taxa és la taxa de transferència de calor o flux de calor (mesurat en watts), és a dir, la quantitat de calor que passa per unitat de temps a través de la secció S de la barra;
• D és la longitud de la barra (és a dir, la distància entre els punts a temperatura ${\displaystyle T_{1}}$ i ${\displaystyle T_{2}}$), que se suposa uniforme;
• S és l'àrea de la secció transversal de la barra, perpendicular respecte a la direcció del gradient de temperatura, és a dir, la direcció en la qual es mesura la longitud d;
• T₁ e T₂ són les temperatures en els extrems de la barra.

Una conductivitat tèrmica d'1 watt per metre i kelvin indica que una quantitat de calor d'un joule (J) es propaga a través d'un material per conducció tèrmica:

• en 1 segon
• per una superfície de 1m²
• per un espessor de 1m que és la separació entre les dues capes.
• quan la diferència de temperatures entre les dues cares és de 1K.

Com més gran sigui la seva conductivitat tèrmica, un material serà millor conductor de la calor. Com més baix sigui, el material serà més aïllant. Per exemple, el coure té una conductivitat de 385 watts per kelvin i metre, i és més de 10000 vegades millor conductor de la calor que el poliuretà (0,035 watts per kelvin i metre).

Unitats

En el SI d'unitats la conductivitat tèrmica es mesura en watts per metre kelvin, W/(m·K)

• el watt és una unitat de potència
• el metre és una unitat de distància
• el kelvin és una unitat de temperatura

Conductivitat tèrmica d'alguns materials

Normalment, la conductivitat tèrmica va aparellada a la conductivitat elèctrica, com per exemple, en el cas dels metalls, que presenten un valor elevat d'amdues. Una excepció notable és la del diamant, que presenta una alta conductivitat tèrmica però una baixa conductivitat elèctrica. El nou nanomaterial grafè, té una conductivitat tèrmica de 5000 W·m^-1·K^-1 aproximadament, situant-lo com un material molt més conductor que el diamant.

Conductibilitat tèrmica d'algunes substàncies comuns

Substància	W·m^-1·K^-1
Diamant natural	1000[4] - 2200[5]
Plata	406[6]-407[7]-418[8]−427[9]-429[10][4][11]
Coure	353.1[7]−368.7[7]−385[6]-386[7][8]-390[12]-401[10][13]
Or	314[6]-315[7]-318[8][14]
Alumini	204.3[7]-205[6]−214.6[7]-220[8]-237[12][9][15]−249.3[7]-250[10]
Llautó	111
Platí	70
Quars	8
Vidre	1
Aigua destil·lada	0,6
Maó	0,8
Llana	0,05
Vermiculita	0,046
Poliestirè expandit	0,03
Aire sec (a 300 K, 100 kPa)	0,026
Aerogel de sílice	0,013 en panells al buit a la pressió de 1,7 x 10^-5 atmosferes

Referències

1. «Conductivitat tèrmica». Gran Enciclopèdia Catalana. [Consulta: 6 octubre 2022].
2. Montse Bosch. Avaluació energètica d'edificis: l'experiència de la UPC, una metodologia d'anàlisi. Edicions UPC, 2006, p. 163–. ISBN 9788483018613 [Consulta: 27 maig 2011]. 
3. Auguet Sangrá, Carlota + altres. Temperatura i calor. Teoria i problemes. Edicions UPC, p. 30–. ISBN 9788498802993 [Consulta: 27 maig 2011]. 
4. «CRC handbook of chemistry and physics». Arxivat de l'original el 2017-07-24. [Consulta: 27 agost 2011].
5. Anthony, T. R.; Banholzer, W. F.; Fleischer, J. F. [et al]. «Thermal conductivity of isotopically enriched ¹²C diamond». Physical Review B, 42, 2, 27-12-1989, pàg. 1104–1111. DOI: 10.1103/PhysRevB.42.1104.
6. HyperPhysics, most from Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed., Addison Wesley, 1992. Table 15-5. (most data should be at 293 K (20^oC;68^oF))
7. The Engineering Toolbox, Thermal conductivity of some common metals
8. EngineersEdge, Properties of metals
9. Greg Becker, Chris Lee, and Zuchen Lin «Thermal conductivity in advanced chips — Emerging generation of thermal greases offers advantages». Advanced Packaging, juliol 2005, pp.2–4. Arxivat de l'original el 2013-01-02 [Consulta: 4 març 2008].
10. ^{[enllaç sense format]} http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-metals-d_429.html^{[Enllaç no actiu]}
11. ^{[enllaç sense format]} http://www.goodfellow.com/E/Silver.html
12. «Hukseflux Thermal Sensors». Arxivat de l'original el 2011-10-11. [Consulta: 27 agost 2011].
13. ^{[enllaç sense format]} http://www.goodfellow.com/E/Copper.html
14. ^{[enllaç sense format]} http://www.goodfellow.com/E/Gold.html
15. ^{[enllaç sense format]} http://www.goodfellow.com/E/Aluminium.html

Vegeu també

• Resistència tèrmica és la inversa de la conductància tèrmica.
• Conductància tèrmica, aplicable quan parlem d'una quantitat concreta de material.
• Capacitat calorífica
• Emmagatzematge calorífic
• Transmitància
• Coeficient de conductivitat tèrmica