Conductividad térmica para niños

La conductividad térmica es una propiedad física que nos dice qué tan bien un material puede transmitir el calor. Imagina que tienes una cuchara de metal y una de madera. Si pones ambas en una sopa caliente, la de metal se calentará mucho más rápido que la de madera. Esto es porque el metal tiene una alta conductividad térmica, mientras que la madera tiene una baja.

En los materiales, el calor se mueve de diferentes maneras. En los metales, pequeños "mensajeros" llamados electrones libres ayudan a llevar la energía de un lugar a otro. En todos los sólidos, el calor también se transmite cuando los átomos cercanos vibran y se pasan esa energía unos a otros. Los materiales que no son metales suelen ser malos conductores del calor, por eso los llamamos aislantes.

La conductividad térmica se mide en el Sistema Internacional de Unidades en vatios por metro y kelvin (W/(m·K)). Esto significa cuánta energía (en vatios) puede pasar a través de un material de un metro de grosor, por cada metro cuadrado de superficie, cuando la diferencia de temperatura entre sus lados es de un kelvin.

La conductividad térmica es una de las formas en que el calor se mueve. Las otras dos son la convección (cuando el calor se mueve con un fluido, como el aire o el agua) y la radiación (cuando el calor se transmite por ondas, como el calor del sol).

Un material con una conductividad térmica alta es un buen conductor del calor. Un material con una conductividad térmica baja es un buen aislante. Por ejemplo, el cobre es un excelente conductor de calor (con una conductividad de unos 385 W/(m·K)), ¡más de 10.000 veces mejor que el poliuretano (0,035 W/(m·K))!

¿Cómo se transmite el calor a nivel molecular?

Cuando calientas algo, las pequeñas partículas que lo forman (moléculas o átomos) se mueven más rápido y tienen más energía. La transmisión de calor ocurre cuando estas partículas chocan entre sí y se pasan esa energía.

En los gases

En los gases, las moléculas se mueven de forma desordenada y chocan constantemente. Si una molécula con mucha energía (de una zona caliente) choca con una con menos energía (de una zona fría), le transfiere parte de su energía. Los gases ligeros como el hidrógeno y el helio suelen conducir bien el calor. Los gases densos como el xenón lo conducen peor. La conductividad de los gases aumenta con la temperatura, pero si hay muy poco gas (casi vacío), la conductividad es casi nula porque hay pocas moléculas para chocar.

En los líquidos

En los líquidos, las moléculas están más juntas que en los gases, y las fuerzas entre ellas son más fuertes. La conductividad térmica de los líquidos no cambia mucho con la temperatura y es casi independiente de la presión.

En los sólidos

En los sólidos, las partículas están muy unidas y vibran en su lugar. El calor se transmite por la vibración de estas partículas que se pasan la energía unas a otras.

• Los metales son excelentes conductores porque tienen electrones libres que se mueven fácilmente y transportan energía.
• Los no metales son peores conductores porque no tienen tantos electrones libres; el calor se transmite principalmente por las vibraciones de sus átomos.
• Los sólidos porosos (con muchos huecos llenos de aire) son muy malos conductores del calor, por eso se usan como aislantes.

¿Qué materiales son buenos conductores y cuáles son aislantes?

La conductividad térmica es una característica propia de cada material. Es muy alta en los metales y en general en materiales compactos. Es baja en materiales como los polímeros y muy baja en materiales especiales como la fibra de vidrio. En el vacío ideal, no hay nada que transmita el calor por conducción, por lo que su conductividad es nula.

El valor de la conductividad térmica de un material puede cambiar un poco con la temperatura. Por eso, para poder comparar los materiales, a menudo se mide a una temperatura estándar, como 300 K (que es aproximadamente 27 grados Celsius).

Tabla de conductividades térmicas de algunos materiales

Aquí puedes ver cómo se compara la conductividad térmica de diferentes materiales, medida en W/(K·m):

¿Para qué se usa la conductividad térmica?

En la industria, a veces queremos que el calor se transmita lo más rápido posible. Por ejemplo, en los disipadores de calor de las computadoras o en los intercambiadores de calor que se usan en fábricas, se usan materiales con alta conductividad térmica y diseños que permiten mucho contacto.

Otras veces, queremos evitar que el calor se transmita. Para eso, usamos materiales con baja conductividad térmica, como los aislantes. Un buen ejemplo es un termo, que mantiene las bebidas calientes o frías gracias a que tiene un vacío entre sus paredes, lo que impide que el calor se mueva por conducción.

Factores que afectan la conductividad térmica

Varios factores pueden influir en la capacidad de un material para conducir el calor:

La temperatura

El efecto de la temperatura es diferente para metales y no metales.

• En los metales, la conductividad térmica se mantiene casi constante o aumenta un poco con la temperatura.
• En los no metales, la conductividad térmica es aproximadamente constante, a menos que la temperatura sea muy baja.

Los cambios de estado

Cuando un material cambia de estado (por ejemplo, de sólido a líquido o de líquido a gas), su conductividad térmica puede cambiar. Por ejemplo, el agua líquida tiene una conductividad de 0.58 W/(m·K), pero cuando se congela y se convierte en hielo, su conductividad aumenta a 1.6 W/(m·K).

La estructura del material

La forma en que están organizados los átomos en un material también importa. Algunos materiales cristalinos pueden conducir el calor de manera diferente según la dirección en la que se mida.

La conductividad eléctrica

En los metales, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica suelen ir de la mano. Esto se debe a que los mismos electrones libres que transportan la electricidad también transportan la energía del calor. Sin embargo, esta relación no es tan clara en otros materiales.

La convección

El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes si no hay movimiento. Por eso, muchos materiales aislantes funcionan atrapando mucho aire en pequeños espacios, lo que evita que el calor se mueva por convección. Piensa en el poliestireno (el material de las neveras portátiles) o en el pelaje de los animales, que atrapa aire para mantenerlos calientes.

Los gases ligeros, como el hidrógeno y el helio, suelen tener una alta conductividad térmica. Los gases más densos, como el xenón, tienen una conductividad térmica baja.

Conductividad térmica de los elementos químicos

Aquí puedes ver la conductividad térmica de los elementos a 27 °C en (W·m⁻¹·K⁻¹):

En sistemas de gases de escape se utilizan recubrimientos cerámicos con baja conductividad térmica para prevenir que el calor alcance componentes sensibles

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  En sistemas de gases de escape se utilizan recubrimientos cerámicos con baja conductividad térmica para prevenir que el calor alcance componentes sensibles