- Jim Wilson
La difusividad térmica es una medida de la respuesta térmica transitoria de un material a un cambio de temperatura y el término difusividad térmica (α) se define comoα= k/(ρ x cp)
| donde | α es la difusividad térmica (m2/seg) |
| k es la conductividad térmica (W/m-K) | |
| ρ es la densidad (kg/m3) | |
| cp es la capacidad calorífica (J/kg-K) |
Cabe destacar que cada una de estas cantidades puede variar con la temperatura. La difusividad térmica es una colección conveniente de propiedades físicas para las soluciones transitorias de la ecuación del calor. Para un material homogéneo con propiedades constantes, la ecuación del calor (1) con tres propiedades físicas se expresa como (2) con un solo coeficiente.
Un material con una alta difusividad térmica (como la plata) es un buen difusor de energía térmica mientras que un material con una baja difusividad térmica (como el plástico) es mucho más lento en la difusión de energía térmica. Si el entorno térmico que rodea a un material cambia, el calor debe entrar o salir del material hasta que se alcance el equilibrio térmico, suponiendo que el entorno sea constante después del cambio. Los materiales con una alta difusividad térmica alcanzarán el equilibrio térmico más rápidamente que los materiales con una baja difusividad térmica.
Figura 1. Conductividad térmica frente a difusividad térmica para una amplia variedad de materiales homogéneos (círculos cerrados, metales; cuadrados, cerámicas; triángulos, vidrios; cuadrados abiertos, polímeros; círculos abiertos, líquidos; y cruces, gases).
La figura 1 compara la conductividad térmica con la difusividad térmica para una amplia gama de materiales. Observe que los puntos de datos señalados como materia condensada pueden describirse como cercanos a una línea recta. Esto se debe a que el rango de capacidad térmica por unidad de volumen para la materia condensada (líquidos y sólidos) es pequeño (el rango de capacidad térmica por volumen para la materia condensada es de 1×10-6 J/m3 -K a 4×10-6 J/m3-K). Con respecto a la difusividad térmica, los gases y la materia condensada son diferentes. Por ejemplo, el aire tiene una baja conductividad térmica pero una difusividad térmica relativamente alta � esto significa que aunque el aire sólo puede absorber una cantidad relativamente pequeña de energía térmica, es eficaz para difundir la energía.
La conductividad térmica es una medida del flujo de calor en un material resultante de una diferencia de temperatura. La obtención de mediciones precisas de la conductividad térmica en condiciones de estado estacionario requiere conocer tanto el flujo de calor como las temperaturas y, además, que estas condiciones no cambien en el tiempo. Los requisitos de tiempo y la dificultad inherente para realizar mediciones precisas han llevado al desarrollo de técnicas transitorias para la medición de propiedades. La capacidad calorífica y la densidad son relativamente fáciles de medir e incluso de predecir dados los materiales que las componen. También se pueden medir en muestras de pequeño tamaño. La medición de la difusividad térmica proporciona un medio para extraer la conductividad térmica. La medición de la difusividad térmica añade la necesidad de medir el tiempo, pero la medición precisa del tiempo no es difícil. La medición de las propiedades térmicas utilizando una técnica de flash fue descrita por primera vez en 1960 por Parker et al. del Laboratorio de Defensa Radiológica de la Marina de los Estados Unidos. Esfuerzos posteriores han mejorado estas técnicas de medición hasta llegar a métodos bien establecidos para las mediciones de las propiedades de los materiales.
Las unidades de difusividad térmica son longitud2/tiempo y un conjunto común de unidades del SI es m2/seg (el uso de cm o mm como escala de longitud es frecuente ya que permite informar de valores más cercanos al valor uno). La tabla 1 enumera las difusividades térmicas de determinados materiales a temperatura ambiente (300 K). Al igual que con la conductividad térmica, la variación significativa en los valores reportados es común.
Tabla 1. Difusividad térmica para materiales seleccionados
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- Salazar, A., «On Thermal Diffusivity», European Journal of Physics, 24, 2003.
- Parker, W. et al., «A Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity», Journal of Applied Physics, 32, 1961.
- ASTM E1461-01 Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method, ASTM International, www.astm.org.
- King, J., Material Handbook for Hybrid Microelectronics, Artec House, Norwood, Mass., 1988.
