¿Qué son los Analizadores de Conductividad Térmica?
Los analizadores de conductividad térmica son aparatos utilizados para medir la conductividad térmica de los materiales.
Existen varios tipos, como los que utilizan una placa térmica, un hilo caliente o un láser. La conductividad térmica es el valor de la facilidad de transferencia de calor dentro de un material y es una forma de caracterizar un material. Por ejemplo, se puede decir que las ollas y sartenes se calientan más rápido si la conductividad térmica es alta, y retienen mejor el calor si es baja.
Usos de los Analizadores de Conductividad Térmica
Los analizadores de conductividad térmica se utilizan para evaluar los procesos de fabricación de productos y para desarrollar nuevos materiales y productos.
1. Evaluación del Rendimiento de Retención del Calor
Un ejemplo es la evaluación del rendimiento de retención del calor de los recipientes de almacenamiento. Cuanto menor sea la conductividad térmica, mejores serán las propiedades aislantes y más tiempo podrá mantenerse caliente el producto. La conductividad térmica se mide como indicador de este rendimiento.
2. Desarrollo de Materiales Disipadores del Calor
Recientemente, la conductividad térmica se ha utilizado cada vez más en el desarrollo de materiales disipadores de calor: en las CPU, por ejemplo, la disipación de calor es un factor importante para evitar el desbordamiento térmico causado por la generación de calor.
Por ejemplo, cuanto mayor sea la conductividad térmica de la grasa termoconductora utilizada para mejorar la disipación de calor, mayor será la disipación de calor.
Principio de los Analizadores de Conductividad Térmica
Los analizadores de conductividad térmica pueden dividirse a grandes rasgos en métodos estacionarios y transitorios.
1. El Método de Estado Estacionario
El método estacionario mide directamente la conductividad térmica generando un gradiente térmico constante. Se genera un flujo de calor constante haciendo que un lado de la muestra esté caliente y el otro frío.
Midiendo el flujo de calor con un medidor de flujo de calor o un material de conductividad térmica y temperatura conocidas, se puede medir la conductividad térmica a partir de la diferencia de temperatura generada en la muestra. Este sencillo principio permite realizar mediciones precisas, pero el control de la temperatura de la superficie de la muestra y la disipación de calor a los alrededores pueden provocar errores. Otra desventaja es que se necesita mucho tiempo para alcanzar el estado estacionario.
2. Método Transitorio
El método transitorio es un método de medición de la conductividad térmica mediante la aplicación de calor no constante a una muestra. Midiendo el cambio de temperatura de la muestra a lo largo del tiempo tras la aplicación de calor, puede calcularse la conductividad térmica. Los métodos para aplicar calor incluyen el método de destello láser, que utiliza un rayo láser, y el método de hilo caliente, que utiliza un hilo calefactor.
En el método de destello láser, la muestra se calienta mediante un rayo láser y se detecta mediante un sensor de infrarrojos. La desventaja es que resulta difícil detectar objetos con una conductividad térmica demasiado pequeña. En el método del hilo caliente, se pasa un hilo caliente a través de la muestra y se calienta. Con este método se pueden medir indistintamente sustancias sólidas y líquidas.
Información Adicional sobre Analizadores de Conductividad Térmica
1. Diferencias con los Instrumentos de Medida de la Difusividad Térmica
Por lo general, la difusividad térmica se mide con instrumentos del método del destello láser, pero la conductividad térmica no puede medirse directamente. La conductividad térmica puede determinarse multiplicando la difusividad térmica obtenida con un aparato de medición de destello láser por el calor específico y la densidad.
El calor específico se determina utilizando un analizador térmico diferencial (DSC), mientras que la densidad se mide utilizando un método como el de desplazamiento en agua, conocido como método de Arquímedes. El método del destello láser puede utilizarse para medir la difusividad térmica de una amplia gama de materiales poliméricos, como el caucho y los plásticos, materiales cerámicos e incluso materiales metálicos. Por otra parte, existen restricciones en cuanto a las condiciones de ensayo y los materiales que deben medirse son más densos que porosos.
Deben estar libres de defectos como la porosidad por contracción y el agrietamiento, habituales en los materiales metálicos. Por lo tanto, no se pueden medir los materiales compuestos y laminados hechos de fibras o materiales granulares.
Además del método de destello láser, los dispositivos de medición de la difusividad térmica también incluyen un método de calentamiento cíclico. En este método, la respuesta de temperatura o diferencia de fase se determina a partir de la respuesta de temperatura o diferencia de fase a cierta distancia cuando se aplica energía térmica que varía periódicamente. Sin embargo, tampoco puede medir directamente la conductividad térmica.
2. Conductivímetro Térmico Rápido (Método de Calentamiento de Alambre Fino en Estado no Estacionario)
Si desea medir rápidamente el coeficiente de transferencia de calor, resulta eficaz un medidor rápido del coeficiente de transferencia de calor que utilice el método inestable de calentamiento por hilo fino. La parte del sensor consta de un hilo calefactor estirado en línea recta y un termopar, y se aplica una corriente constante para elevar la temperatura de calentamiento.
Por ejemplo, si la probeta tiene una conductividad térmica elevada, como la cerámica, el calor se difunde rápidamente en la probeta y la temperatura del hilo calefactor disminuye. Por el contrario, para una probeta con baja conductividad térmica, la temperatura del hilo calefactor aumenta, y la conductividad térmica puede determinarse a partir de la pendiente del gráfico de aumento de temperatura en este momento.
En el caso de probetas uniformes, la conductividad térmica puede medirse rápida y fácilmente, y el propio analizadores de conductividad térmica es compacto y portátil. Otra gran ventaja es que las mediciones pueden realizarse inmediatamente in situ. Puede utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, desde materiales de construcción industrial hasta alimentos y prendas de vestir.
Algunos ejemplos de piezas de ensayo que pueden medirse son los siguientes:
- Materiales aislantes a base de fibras y plásticos espumados, etc.
- Plásticos, vidrio, madera, etc.
- Hojas, pieles, muestras de placas finas, etc.
- Masa de pan, productos amasados, polvos, etc.
- Materiales aislantes refractarios a altas temperaturas, cerámica, etc.