RESISTENCIA TÉRMICA

Todos los materiales no conducen el calor de la misma manera.

Unos son mejores conductores del calor y otros peores.

La resistencia térmica es un valor que indica lo bien o lo mal conductor del calor que es un material.

Indice de Contenidos:

- Definición de Resistencia Térmica
- ¿Cómo se Calcula?
- Resistencia Térmica en 3 Materiales Diferentes
- Ejercicios de Resistencia Térmica
- ¿Para Qué se Utiliza?

Concepto o Definición de la Resistencia Térmica

Es una medida de la resistencia con que se opone un  material (facilidad o no) a ser atravesado por el calor, por ejemplo en una pared de una vivienda.

La resistencia térmica determina la propiedad de aislamiento térmico de un material.

Pero realmente el concepto y su medida se utiliza para analizar algunos problemas de transferencia de calor utilizando una analogía eléctrica y de esta forma conseguir que los sistemas complicados sean más fáciles de visualizar y analizar.

Si una resistencia eléctrica está relacionada con la conducción de electricidad, la resistencia térmica está relacionada con la conducción de calor.

Mucha Resistencia Eléctrica = Material Poco Conductor de la Electricidad o incluso Aislante Eléctrico.
Mucha Resistencia Térmica = Material Poco Conductor del Calor o incluso Aislante Térmico.

Los técnicos o ingenieros usan la resistencia térmica para calcular la transferencia de calor a través de los materiales.

Una capa de construcción con una alta resistencia térmica (por ejemplo, lana de roca) es un buen aislante; uno con una resistencia térmica baja (por ejemplo de hormigón) es un mal aislante.

La resistencia térmica es inversa de la conductividad térmica.

Un material que tiene una alta conductividad térmica significa que es muy buen conductor del calor, a la inversa que si tiene mucha resistencia térmica, que significaría que es mál conductor del calor.

¿Cómo se Calcula?

Se basa en una analogía con la ley de Ohm que es:

R = V / I

Donde "V" es el voltaje o tensión que impulsa una corriente de magnitud "I" por un  material que tiene una resistencia eléctrica "R".

La cantidad de corriente (I) que fluye para un voltaje (V) determinado es inversamente proporcional a la resistencia eléctrica (R) del circuito por el que fluye la corriente.

I = V / R (es la misma formula de arriba expresada de otra manera) 

Para un conductor eléctrico, la resistencia depende de las propiedades del material y de su tamaño.

Por ejemplo, el cobre tiene una resistencia eléctrica menor que la madera y los conductores cortos y gruesos tienen menos resistencia que los largos y delgados (ver Resistencia Eléctrica).

De la misma forma si aumentamos el grosor del material disminuye su resistencia térmica y si aumentamos su longitud aumenta su resistencia térmica.

Luego veremos esto con más detalle.

Para problemas de transferencia de calor en una dimensión en estado estable y sin generación de calor interno, el flujo de calor es proporcional a una diferencia de temperatura de acuerdo con esta ecuación:




Si creamos una analogía diciendo que la corriente eléctrica (I) fluye como el calor (Q) y que el voltaje (V) impulsa la corriente eléctrica como la diferencia de temperatura (ΔT) impulsa el flujo de calor, podemos escribir la ecuación del flujo de calor en una forma similar a la ley de Ohm:

Según la ley de ohm V = I x R; Entonces

Para la transferencia de calor tenemos por analogía:

ΔT = Q x Rtermica; despejando la resistencia térmica tenemos:

Rtérmica = ΔT / Q

Si ahora sustituimos Q por su valor en la fórmula de más arriba tenemos que:

Rtérmica = ΔT / [K x A X (ΔT / ΔX)] = (ΔT x Δx) / (K x A x Δx) = ΔT / K x A

Resistencia térmica = ΔT / K x A

Al igual que con la resistencia eléctrica, la resistencia térmica será mayor para un área de sección transversal pequeña de flujo de calor (A) o para una distancia larga (Δx).

Resistencia Térmica en 3 Materiales Diferentes

¿Por qué molestarse con todo eso? 

La respuesta es que la resistencia térmica nos permite resolver problemas algo complicados de formas relativamente sencillas. 

Hablaremos más sobre las diferentes formas en que se puede usar, pero primero veamos un caso simple para ver la utilidad que tiene.

Supongamos que queremos calcular el flujo de calor a través de una pared compuesta de 3 materiales diferentes, y conocemos las temperaturas superficiales en cada superficie exterior, TA y TB , y las propiedades y geometrías de los materiales, es decir el largo y su área.

La resistencia térmica total sería la suma de cada una de las resistencias térmicas de cada material, ya que se consideran que están en serie, y así es la Rtotal en el caso de la eléctrica.

Veamos como calcularíamos Q a través de la aplicación del concepto de resistencia térmica y sin ella.


Mucho más sencillo utilizando la Rtermica.

Lo mismo podríamos hacer en materiales en paralelo, cambiaría la fórmula y la resistencia térmica total sería igual que si fueran resistencias en paralelo.

1/RtermicaTotal = 1 /RT1 + 1/ RT2 + 1/ RT3   ..........

Ejercicios de Resistencia Térmica

1) Veamos un ejemplo práctico del caso anterior en el siguiente video:



2) Si hay una diferencia de temperatura de 20 K entre los dos lados de una lámina de poliestireno con una resistencia térmica de 1 K / W, el resultado es un flujo de calor a través de la lámina de:

Q = ΔT / Rtermica = 20K / 1K/W = 20 W

3) Un material aislante con un espesor de 9 cm (= 0,09 m) y un valor λ de 0,024 da un valor R de 3,75 m 2 K / W (0,09 / 0,024)

4) El interior de un horno se mantiene a una temperatura de 850 ° C mediante un aparato de control adecuado.

Las paredes del horno tienen un grosor de 500 mm y están fabricadas con un material de conductividad térmica de 0,3 W / m-K.

Para una temperatura de la pared exterior de 250°C, ejercite la resistencia al flujo de calor y el flujo de calor por metro cuadrado de superficie de la pared.

También calcule la temperatura en un punto a 200 mm del lado interior.

Solución:



Aquí tienes algunos ejercicios más: Ejercicios Conductividad Térmica

¿Para Qué se Utiliza?

Además de para el cálculo de los aislamientos térmicos como ya vimos tenemos más usos.

En los sistemas que utilizan un disipador de calor, una baja resistencia térmica es una indicación de que el disipador de calor está funcionando eficazmente.

Los disipadores de calor se utilizan para mantener la temperatura de los componentes electrónicos lo más baja posible y para evitar un calentamiento excesivo.

El sobrecalentamiento de los componentes puede provocar averías en el sistema o incluso la destrucción de componentes individuales.

Un disipador de calor con baja resistencia térmica ayuda eficazmente a proteger los componentes electrónicos del sobrecalentamiento.

Un acumulador de calor con temperatura ambiente constante se descarga a través de su propio aislamiento térmico.

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