Conductividad Térmica

Objetivos

- Determinar el coeficiente de conductividad térmica para un sólido.

- Comparar el coeficiente de conductividad térmica de dos materiales distintos..

Introducción

La diferencia de temperatura entre distintos puntos de un medio genera procesos de intercambio

de calor. Ellos pueden ser debidos a tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En

esta experiencia se estudiará el mecanismo de conducción térmica.

La capacidad de conducir calor es una propiedad que depende de la estructura interna de cada

sustancia. En el proceso de conducción térmica, la transferencia de calor puede ser interpretada en

la escala atómica como un intercambio de energía entre las partículas microscópicas (moléculas,

átomos ó electrones libres), en el cual las partículas más energéticas entregan energía a las menos

energéticas a través de colisiones.

Es posible determinar la conductividad térmica de una sustancia particular, mediante la medición

del tiempo de transferencia de una cantidad de calor conocida que pasa a través de una lámina

constituida del material en cuestión. El propósito del experimento aquí propuesto es determinar el

coeficiente de conductividad térmica para dos materiales distintos, (figura 1).

Teoría

Si una lámina de material se encuentra en contacto con dos focos térmicos a diferentes

temperaturas (fig 2), en estado estacionario la cantidad de calor por unidad de tiempo y superficie

que atraviesa la placa será proporcional a la diferencia de temperaturas e inversamente

proporcional a su espesor ( ). El flujo de calor ( ) irá desde la región de mayor temperatura ( )

hacia la de menor temperatura ( ). La ecuación que describe este proceso, es la llamada Ley de

Fourier y es mostrada en la figura 2. En esta ecuación la constante de proporcionalidad ( ) se

denomina constante de conductividad térmica del material.

En la tabla 1, consignamos algunos valores de la constante de conductividad térmica   para

diversas sustancias. En el caso de los gases esta constante fue medida a  °C, y en las demás

sustancia a temperatura ambiente.

Descripción del Experimento

Para medir la constante de conductividad térmica utilizaremos el aparato mostrado en la figura 3.

Este consiste esencialmente en una cámara aislada de aluminio, la cual tiene un orificio cuadrado

en el cual se posiciona la lámina del material que se desea medir. Esta cámara se utiliza como foco

térmico de alta temperatura ( ), ya que a través de ella se hace circular vapor de agua. Sobre el

material se ubica un trozo cilíndrico de hielo el cual cumple la función de foco térmico de baja

temperatura ( ), y además es utilizado para determinar la cantidad de calor que fluye a través del

material. Por lo tanto, midiendo la cantidad de hielo que se funde en un determinado intervalo de

tiempo ( ), podemos conocer la cantidad de calor que fluyó desde el depósito caliente hacia el

hielo en ese mismo intervalo de tiempo.

Para llevar a cabo al experimento será necesario medir o determinar las siguientes variables:

Espesor ( ) de la muestra. Para ello es recomendable utilizar un pie de metro disponible en el

laboratorio.

El área de contacto entre el hielo y la muestra (A). Se determinará a partir de la medida del

diámetro del bloque de hielo al inicio y al final de la experiencia, con el propósito de reducir el

error cometido al considerar un área de transferencia constante.

El flujo de calor ( ) se determinará midiendo la masa de hielo derretido en un intervalo

de tiempo determinado ( ). Ello se realizará bajo dos condiciones diferentes. Primero con el

foco caliente estando a temperatura ambiente, esto es, sin conectar la manguera con vapor a

la cámara. Ello con el propósito de medir cuanto hielo se derrite por el efecto de la entrega de

calor desde el ambiente. Luego se realizará la misma medición, pero con el foco caliente, esto

es, cuando está conectada la manguera con vapor. Por lo tanto en el último caso la

temperatura de la cámara tendrá un valor cercano a la temperatura de ebullición del agua a

presión atmosférica.

I. Medición de la conductividad térmica del material

Equipamiento Requerido

- Aparato de Conductividad Térmica PASCO

- 1 calentador eléctrico de 

- Matraz con agua hirviendo

- Manguera

- Cronómetro

- 1 termómetro de mercurio

- 2 vasos precipitados de 

- 1 guante térmico

- Balanza del laboratorio

Precaución!La superficie del calentador puede llegar a temperaturas cercanas a los 350 ºC, por ello debe

tener mucha precaución al manipular este calentador. Recuerde utilizar siempre el guante

térmico para manipular el matraz cuando esté a una temperatura elevada.

Procedimiento

1. Ponga el envase con hielo bajo agua tibia para soltar el hielo del molde.

NOTA: No fuerce el molde para sacar el hielo.

2. Mida y registre como h el espesor de la lámina del material que desea medir.

3. Ubique el material de prueba sobre la cámara de vapor. Ver figura 3.

4. Mida el diámetro del bloque de hielo y registre este valor como  . Ubique el hielo en la

parte superior de la lámina, apoyando la parte más plana y observando que el contacto

térmico sea adecuado. Proteger el bloque de hielo con su molde y esperar hasta que se

empiece a fundir.

5. Mantenga el hielo por varios minutos hasta que comience la fusión y tenga total contacto

con la muestra. (No comience tomando datos antes que el hielo comience a derretirse,

porque alunas zonas de hielo pueden estar a temperatura menor que 0°C)

6. En un recipiente de masa   conocida. Recoja el agua producida por el deshielo

durante 10 minutos ( ) y mida la masa del agua que cae al recipiente bajo estas

condiciones y registre su valor como  .

7. Conecte la fuente de vapor y espere hasta que comience a salir vapor por el desagüe

del foco caliente. Poner un recipiente para recoger el agua de condensación, tal como se

muestra en la figura 4.

8. Una vez alcanzado el estado estacionario vacíe el recipiente que se utiliza para colectar

el agua del derretimiento y mida el tiempo durante

el cual va a recoger agua en esta nueva condición, registre

este valor como   (es recomendable un tiempo de 10 min).

Una vez terminada la experiencia mida la masa de agua

fundida  , y nuevamente el diámetro del bloque de

hielo  .

9. Anote todos los resultados en una tabla.

10. De los datos obtenidos calcule la conductividad térmica del material y compare este

valor con el valor aceptado (tabla 1).

11. Realice el experimento para dos materiales distintos. Note que si utiliza un termopanel

este está constituido de tres capas de material, dos de vidrio y una intermedia de aire.

12. Comente sus resultados y discuta posibles fuentes de error.