Conductividad Térmica de los Metales: Cómo Fluye el Calor a Través de Diferentes Materiales
La conductividad térmica es una propiedad que mide cuán bien un material puede transferir calor de un punto a otro sin moverse a sí mismo. Depende de factores como la estructura, composición y temperatura del material. En este artículo, nos centraremos en la conductividad térmica de los metales, que son sólidos con alta conductividad eléctrica y térmica, y alta densidad.
¿Qué es un Metal?
Un metal se define como un material sólido que tiene una estructura cristalina, donde los átomos están dispuestos en un patrón regular. Los átomos consisten en núcleos con sus capas de electrones de valencia, que están fuertemente unidos a los núcleos. Sin embargo, algunos de los electrones más externos son libres para moverse a lo largo del metal, formando un mar de electrones que pueden transportar corriente eléctrica y energía térmica.
Los metales tienen muchas propiedades útiles, como alta resistencia, ductilidad, maleabilidad, brillo y reflexión. También son buenos conductores de electricidad y calor, lo que significa que pueden transferir estas formas de energía de manera eficiente y rápida.
¿Cómo se Transfiere el Calor en los Metales?
La transferencia de calor es el proceso de mover la energía térmica de una región de mayor temperatura a una región de menor temperatura. Hay tres modos principales de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
La conducción es el modo de transferencia de calor que ocurre en sólidos, donde el calor fluye a través del contacto directo entre átomos o moléculas. La convección es el modo de transferencia de calor que ocurre en fluidos (líquidos o gases), donde el calor fluye a través del movimiento de las partículas del fluido. La radiación es el modo de transferencia de calor que ocurre a través de ondas electromagnéticas, como la luz o la radiación infrarroja.
En los metales, la transferencia de calor ocurre principalmente por conducción, ya que los metales son sólidos y tienen muchos electrones libres. Los electrones libres pueden moverse aleatoriamente a lo largo del metal y chocar con otros electrones o átomos, transfiriendo energía cinética y térmica. Cuantos más electrones libres tenga un metal, mayor será su conductividad térmica.
¿Qué Factores Afectan la Conductividad Térmica de los Metales?
La conductividad térmica de los metales depende de varios factores, como:
El tipo y número de electrones libres: Los metales con más electrones libres tienen mayor conductividad térmica, ya que pueden transportar más energía térmica. Por ejemplo, la plata tiene la mayor conductividad térmica entre los metales, seguida por el cobre y el oro.
La masa atómica y el tamaño: Los metales con átomos más pesados y grandes tienen menor conductividad térmica, ya que vibran más lentamente e interfieren con el movimiento de los electrones libres. Por ejemplo, el plomo tiene una baja conductividad térmica entre los metales.
La estructura cristalina y los defectos: Los metales con una estructura cristalina más regular y compacta tienen mayor conductividad térmica, ya que tienen menos resistencia al flujo de electrones. Por ejemplo, los metales con una estructura cúbica tienen mayor conductividad térmica que los metales con una estructura hexagonal. Los defectos, como impurezas, vacantes o dislocaciones, también pueden reducir la conductividad térmica de los metales al dispersar electrones.
La temperatura: La conductividad térmica de los metales varía con la temperatura de diferentes maneras, dependiendo del mecanismo dominante de transferencia de calor. Para metales puros y aleaciones, la transferencia de calor es principalmente debido a electrones libres (conducción electrónica). A medida que la temperatura aumenta, tanto el número de electrones libres como las vibraciones de la red aumentan. Por lo tanto, la conductividad térmica de los metales disminuye ligeramente con el aumento de la temperatura. Para aislantes y semiconductores, la transferencia de calor es principalmente debido a las vibraciones de la red (conducción fónica). A medida que la temperatura aumenta, las vibraciones de la red aumentan significativamente y dispersan los electrones con más frecuencia. Por lo tanto, la conductividad térmica de los aislantes y semiconductores aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura.
¿Qué es la Ley de Wiedemann-Franz?
La ley de Wiedemann-Franz es una relación que conecta la conductividad eléctrica y la conductividad térmica de los metales a una temperatura dada. Establece que:
σK=LT
Donde,
K es la conductividad térmica en W/m-K
σ es la conductividad eléctrica en S/m
L es el número de Lorenz, que es una constante igual a 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T es la temperatura absoluta en K
Esta ley implica que los metales que tienen alta conductividad eléctrica también tienen alta conductividad térmica, ya que ambas propiedades dependen de los electrones libres. También implica que la relación de la conductividad térmica a la conductividad eléctrica es proporcional a la temperatura de los metales.
Sin embargo, esta ley tiene algunas limitaciones. Solo se aplica a metales puros y aleaciones a temperaturas muy altas o muy bajas. No se aplica a aislantes o semiconductores, donde la conducción fónica domina sobre la conducción electrónica. Tampoco se aplica a algunos metales, como el berilio o la plata pura, que se desvían de esto.
¿Cuáles son los Valores de Conductividad Térmica de Algunos Metales Comunes?
La conductividad térmica de los metales varía ampliamente dependiendo del tipo y pureza del metal. La tabla a continuación muestra algunos ejemplos de valores de conductividad térmica para algunos metales comunes a temperatura ambiente (25°C).
