La conducción térmica es la transferencia de energía interna por colisiones microscópicas de partículas y movimiento de electrones dentro de un cuerpo. Las partículas en colisión, que incluyen moléculas, átomos y electrones, transfieren energía cinética y potencial microscópica desorganizada, conocida conjuntamente como energía interna. La conducción tiene lugar en todas las fases : sólida, líquida y gaseosa.
El calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno 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 impulsora externa opuesta, dentro de un cuerpo o entre cuerpos, las diferencias de temperatura decaen con el tiempo y se acerca el equilibrio térmico , volviéndose más uniforme la temperatura.
En conducción, el flujo de calor está dentro y a través del cuerpo mismo. Por el contrario, en la transferencia de calor por radiación térmica , la transferencia suele ser entre cuerpos, que pueden estar separados espacialmente. También es posible la transferencia de calor mediante una combinación de conducción y radiación térmica. En la convección, la energía interna se transporta entre los cuerpos mediante un portador de material en movimiento. En los sólidos, la conducción está mediada por la combinación de vibraciones y colisiones de moléculas, de propagación y colisiones de fonones y de 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 determinada.
El símbolo convencional de conductividad térmica es k .
Descripción general
A escala microscópica, la conducción ocurre dentro de un cuerpo considerado estacionario; esto significa que las energías cinética y potencial del movimiento global del cuerpo se contabilizan por separado. La energía interna se difunde a medida que los átomos y las moléculas que se mueven rápidamente o que vibran interactúan con las partículas vecinas, transfiriendo algunas de sus energías cinética y potencial microscópicas, definiéndose estas cantidades en relación con la masa del cuerpo que se considera estacionaria. 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 importante de transferencia de calor dentro de un sólido o entre objetos sólidos en contacto térmico . La conducción es mayor [se necesita aclaración ] en los sólidos [se necesita aclaración ] porque la red de relaciones espaciales fijas relativamente cercanas entre 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 al contacto térmico que existe entre las superficies de 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 interfaces 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 aislantes. En los aisladores , el flujo de calor es transportado casi en su totalidad por vibraciones de fonones .
Los metales (por ejemplo, cobre, platino, oro, etc.) suelen ser buenos conductores de 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 corriente eléctrica a través de sólidos conductores, y las conductividades térmica y eléctrica de la mayoría de los metales tienen aproximadamente la misma proporción. [ aclaración necesaria ] 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 en la que no hay corrientes de fluido.
En los gases, la transferencia de calor se produce a través de colisiones de moléculas de gas entre sí. En ausencia de convección, que se relaciona con un fluido en movimiento o una fase gaseosa, la conducción térmica a través de una fase gaseosa depende en gran medida de la composición y presión de esta fase y, en particular, la trayectoria libre media de las moléculas de gas en relación con el tamaño de la brecha de gas, según lo dado por el número de Knudsen . [1]
Para cuantificar la facilidad con la que un medio en particular conduce, 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 (Δ T ) [...] ". La conductividad térmica es una propiedad del material que depende principalmente de la fase , temperatura, densidad y 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 cambia en absoluto. más. Por tanto, todas las derivadas parciales de la temperatura relativas al espacio pueden ser cero o tener valores distintos de cero, pero todas las derivadas de la temperatura en cualquier punto relativo al 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 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 que se alcanza 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 la transferencia de calor, y esta temperatura varía linealmente en el espacio en el caso de que no haya generación de calor en la varilla. [2]
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 análogas a las resistencias eléctricas . En tales casos, la temperatura juega el papel de 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 una red de este tipo.
Conducción transitoria
Durante cualquier período en el que las temperaturas cambian con el tiempo en cualquier lugar dentro de un objeto, el modo de flujo de energía térmica se denomina conducción transitoria. Otro término es conducción en "estado no estable", que se refiere 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 de temperatura en el límite de un objeto. También pueden ocurrir con cambios de temperatura dentro de un objeto, como resultado de una nueva fuente o disipador de calor que se introduce repentinamente dentro de un objeto, lo que hace que las temperaturas cercanas a la fuente o disipador 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 una vez más es igual al flujo de calor hacia afuera, y las temperaturas en cada punto dentro del sistema ya no cambian. Una vez que esto sucede, se termina la conducción transitoria, aunque la conducción en estado estable puede continuar si continúa el flujo de calor.
Si los cambios en las temperaturas externas o los cambios internos en la generación de calor son demasiado rápidos para que se produzca el equilibrio de temperaturas en el espacio, entonces el sistema nunca alcanza un estado de distribución de temperatura invariable en el tiempo y el sistema permanece en un estado transitorio.
Un ejemplo de una nueva fuente de calor que se "enciende" dentro de un objeto, provocando una conducción transitoria, es un motor que arranca en un automóvil. En este caso, la fase de conducción térmica transitoria para toda la máquina termina 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, la fase de conducción transitoria de la transferencia de calor termina.
Nuevas condiciones externas también causan este proceso: por ejemplo, la barra de cobre en el ejemplo de conducción en estado estacionario experimenta una conducción transitoria tan pronto como un extremo se somete a una temperatura diferente del otro. Con el tiempo, el campo de temperaturas dentro de la barra alcanza un nuevo estado estable, en el que finalmente se establece un gradiente de temperatura constante a lo largo de la barra, y este gradiente permanece constante en el espacio. Por lo general, este nuevo gradiente de estado estable se acerca exponencialmente con el tiempo después de que se haya introducido una nueva fuente de temperatura o calor o sumidero. Cuando termina una fase de "conducción transitoria", 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 estacionario, sino más bien sin 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 aborda exponencialmente; en teoría, lleva un tiempo infinito, pero en la práctica, se acaba, a todos los efectos, en un período mucho más corto. Al final de este proceso sin disipador de calor, pero las partes internas de la bola (que son finitas), no hay conducción de calor en estado estable 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 de estado no estacionario es más complejo que el de los sistemas de 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). [3] Sin embargo, con mayor frecuencia, debido a formas complicadas con conductividades térmicas variables dentro de la forma (es decir, los objetos, mecanismos o máquinas más 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 calienta o enfría, para las cuales la conductividad térmica es mucho mayor que la de las trayectorias 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 "trozo" de material con una capacitancia térmica simple que consiste en su capacidad calorífica agregada . Estas regiones se calientan o enfrían, pero no muestran variaciones de temperatura significativas en su extensión, durante el proceso (en comparación con el resto del sistema). Esto se debe a su conductancia mucho mayor. Durante la conducción transitoria, por lo tanto, la temperatura a través de sus regiones conductoras cambia uniformemente en el espacio y como una simple exponencial en el tiempo. Un ejemplo de tales sistemas son los 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) juega el papel de la resistencia en el circuito.
Conducción relativista
La teoría de la conducción de 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, de acuerdo con 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 que es físicamente inadmisible en el marco de la relatividad.
Conducción cuántica
El segundo sonido es un fenómeno de la mecánica cuántica en el que la transferencia de calor se produce mediante un movimiento ondulatorio , en lugar del mecanismo de difusión más habitual . El calor reemplaza la presión en las ondas sonoras normales. Esto conduce a una conductividad térmica muy alta . Se lo 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 ángulos rectos a ese gradiente, a través de la cual 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 de flujo de calor locales igual al producto de la conductividad térmica y el gradiente de temperatura local negativo . La densidad del flujo de calor es la cantidad de energía que fluye a través de una unidad de área por unidad de tiempo.
donde (incluidas las unidades SI )
- es la densidad de flujo de calor local, W / m 2 ,
- es la conductividad del material , W / (m · K ),
- es el gradiente de temperatura, K / m.
La conductividad térmica a menudo se trata como una constante, aunque esto no siempre es cierto. Si bien la conductividad térmica de un material generalmente varía con la temperatura, la variación puede ser pequeña en un rango significativo de temperaturas para algunos materiales comunes. En materiales anisotrópicos , la conductividad térmica varía típicamente con la orientación; en este casoestá representado por un tensor de segundo orden . En materiales no uniformes, varía con la ubicación espacial.
Para muchas aplicaciones simples, la ley de Fourier se usa en su forma unidimensional, por ejemplo, en la dirección x :
En un medio isotrópico, la ley de Fourier conduce a la ecuación de calor
con una solución fundamental conocida como heat kernel .
Forma integral
Integrando la forma diferencial sobre la superficie total del material , llegamos a la forma integral de la ley de Fourier:
donde (incluidas las unidades SI ):
- es la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo (en W),
- es un elemento de superficie orientada (en m 2 ).
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
dónde
- es el intervalo de tiempo durante el cual la cantidad de calor fluye a través de una sección transversal del material,
- es el área de la superficie de la sección transversal,
- es la diferencia de temperatura entre los extremos,
- es la distancia entre los extremos.
Esta ley forma la base para la derivación de la ecuación del calor .
Conductancia
Escritura
donde U es la conductancia, en W / (m 2 K).
La ley de Fourier también se puede establecer como:
El recíproco de la conductancia es la resistencia, es dado por:
La resistencia es aditiva cuando varias capas conductoras se encuentran entre las regiones calientes y frías, 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:
- o equivalente
Entonces, cuando se trata de una partición multicapa, generalmente se usa la siguiente fórmula:
Para la conducción de calor de un fluido a otro a través de una barrera, a veces es importante considerar la conductancia de la película delgada 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 conductancia anteriores, escritas en términos de propiedades extensivas , pueden reformularse en términos de propiedades intensivas . Idealmente, las fórmulas de conductancia deberían producir una cantidad con dimensiones independientes de la distancia, como la ley de Ohm para la resistencia eléctrica,y conductancia, .
De la fórmula eléctrica: , donde ρ es la resistividad, x es la longitud y A es el área de la sección transversal, tenemos, donde G es la conductancia, k es la conductividad, x es la longitud y A es el área de la sección transversal.
Para el calor,
donde U es la conductancia.
La ley de Fourier también se puede establecer como:
análogo a la ley de Ohm, o
El recíproco de la conductancia es la resistencia, R , dada por:
análogo a la ley de Ohm,
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 conchas cilíndricas (por ejemplo, tuberías) se puede calcular a partir del radio interno, , el radio externo, , la longitud, , y la diferencia de temperatura entre la pared interior y exterior, .
El área de la superficie del cilindro es
Cuando se aplica la ecuación de Fourier:
y reorganizado:
entonces la tasa de transferencia de calor es:
la resistencia térmica es:
y , dónde . Es importante tener en cuenta que este es el radio medio logarítmico.
Esférico
La conducción a través de una cáscara esférica con radio interno, , y radio externo, , se puede calcular de manera similar a una carcasa cilíndrica.
El área de la superficie de la esfera es:
Resolver de manera similar a una carcasa cilíndrica (ver arriba) produce:
Conducción térmica transitoria
Transferencia de calor de interfaz
[ cita requerida ]
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 comprender cómo se comporta el sistema. El número de Biot está determinado por: El coeficiente de transferencia de calor , se introduce en esta fórmula y se mide en . Si el sistema tiene un número de Biot inferior a 0,1, el material se comporta de acuerdo con el enfriamiento newtoniano, es decir, con un gradiente de temperatura insignificante dentro del cuerpo. Si el número de Biot es mayor que 0,1, el sistema se comporta como una solución en serie. El perfil de temperatura en términos de tiempo se puede derivar de la ecuación
que se convierte en
El coeficiente de transferencia de calor , h , se mide en, y representa la transferencia de calor en una interfaz entre dos materiales. Este valor es diferente en cada interfaz y es un concepto importante para comprender el flujo de calor en una interfaz.
La solución en serie se puede analizar con un nomograma . Un nomograma tiene una temperatura relativa como la y coordinar y el número de Fourier, que se calcula
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 asuntos profundidad relativa, ya sea x o L .
- Convierta el tiempo al número de Fourier.
- Convertir a la temperatura relativa con las condiciones de contorno.
- Comparado requerido para señalar para rastrear el número de Biot especificado en el nomograma.
Aplicaciones de conducción térmica
Enfriamiento Splat
El enfriamiento por salpicadura es un método para enfriar 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 para la temperatura inicial como el máximo en y a y , y el perfil de calor en por como las condiciones de contorno. El enfriamiento de Splat termina rápidamente en una temperatura de estado estable y es similar en forma a la ecuación de difusión gaussiana. El perfil de temperatura, con respecto a la posición y tiempo de este tipo de enfriamiento, varía con:
La refrigeración Splat es un concepto fundamental que se ha adaptado para un uso práctico en forma de pulverización térmica . El coeficiente de difusividad térmica, representado como, Se puede escribir como . Esto varía según el material. [4] [5]
Enfriamiento de metales
El temple de metales es un proceso de transferencia de calor transitorio en términos de transformación de temperatura en el tiempo (TTT). Es posible manipular el proceso de enfriamiento para ajustar la fase de un material adecuado. Por ejemplo, el temple 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 eutéctica ) del diagrama TTT. Dado que los materiales difieren en sus números de Biot , el tiempo que tarda el material en enfriarse, o el número de Fourier , varía en la práctica. [6] 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 . [ cita requerida ] 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. [7]
Ley cero de la termodinámica
Una afirmación de la llamada ley cero de la termodinámica se centra directamente en la idea de conducción de calor. Bailyn (1994) escribe que "la ley cero puede establecerse: todas las paredes diatérmicas son equivalentes". [8]
Una pared diatérmica es una conexión física entre dos cuerpos que permite el paso del calor entre ellos. Bailyn se refiere a las paredes diatérmicas que conectan exclusivamente dos cuerpos, especialmente las paredes conductoras.
Este enunciado de la "ley cero" pertenece a un discurso teórico idealizado, y las paredes físicas 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, de modo que la conductividad del material no importa demasiado, un conductor de calor adecuado es tan bueno como otro. A la inversa, otro aspecto de la ley cero es que, sujeto de nuevo a restricciones adecuadas, una pared diatérmica dada es indiferente a la naturaleza del baño de calor 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 ni lo fundan.
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 tanto, utilizarse para determinadas 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 coinciden. Siempre que se pasa cierto gas sobre 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 gas
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 equilibrado. Sin embargo, si la muestra de gas diferente (o mezcla de gases) se pasa sobre un juego de dos filamentos y el gas de referencia en 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 componentes del gas de muestra.
Usando 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.
Ver también
- Lista de conductividades térmicas
- Conducción eléctrica
- Ecuación de difusión por convección
- Valor R (aislamiento)
- Tubo de calor
- Ley de difusión de Fick
- Conducción de calor relativista
- Ecuación de Churchill-Bernstein
- Número de Fourier
- Número de biot
- Difusión falsa
Referencias
- ^ Dai; et al. (2015). "Conductividad térmica efectiva de polvos submicrónicos: un estudio numérico" . Mecánica Aplicada y Materiales . 846 : 500–505. doi : 10.4028 / www.scientific.net / AMM.846.500 . S2CID 114611104 .
- ^ Bergman, Theodore L .; Lavine, Adrienne S .; Incropera, Frank P .; Dewitt, David P. (2011). Fundamentos de la transferencia de calor y masa (7ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 9780470501979. OCLC 713621645 .
- ^ La Caja de herramientas de conducción analítica exacta contiene una variedad de expresiones transitorias para la conducción de calor, junto con algoritmos y código de computadora para obtener valores numéricos precisos.
- ^ Sam Zhang; Dongliang Zhao (19 de noviembre de 2012). Manual de materiales aeronáuticos y aeroespaciales . Prensa CRC. págs. 304–. ISBN 978-1-4398-7329-8. Consultado el 7 de mayo de 2013 .
- ^ Martin Eein (2002). Interacciones de superficie de caída . Saltador. págs. 174–. ISBN 978-3-211-83692-7. Consultado el 7 de mayo de 2013 .
- ^ Rajiv Asthana; Ashok Kumar; Narendra B. Dahotre (9 de enero de 2006). Ciencia de procesamiento y fabricación de materiales . Butterworth – Heinemann. págs. 158–. ISBN 978-0-08-046488-6. Consultado el 7 de mayo de 2013 .
- ^ George E. Totten (2002). Manual de tensión residual y deformación del acero . ASM International. págs. 322–. ISBN 978-1-61503-227-3. Consultado el 7 de mayo de 2013 .
- ^ Bailyn, M. (1994). Una encuesta de termodinámica , Instituto Americano de Física, Nueva York, ISBN 0-88318-797-3 , página 23.
- Dehghani, F 2007, CHNG2801 - Procesos de conservación y transporte: notas del curso, Universidad de Sydney, Sydney
- John H Lienhard IV y John H Lienhard V, 'A Heat Transfer Textbook', Quinta edición, Dover Pub., Mineola, NY, 2019 [1]
enlaces externos
- Medios relacionados con la conducción de calor en Wikimedia Commons
- Conducción de calor - Thermal-FluidsPedia
- Ley de enfriamiento de Newton por Jeff Bryant basado en un programa de Stephen Wolfram , Wolfram Demonstrations Project .