9 CONDUCTORS DE CALOR I LES SEVES CARACTERÍSTIQUES - CIÈNCIA - 2025

Els conductors de calor són aquells materials l'estructura és tal que la calor pot transitar per ells amb molta facilitat. Cal recordar que tota la matèria està composta d'àtoms i molècules en constant moviment vibratori, i que la calor es tradueix en una major agitació d'aquestes partícules.

Alguns materials condueixen la calor millor que altres, perquè la seva configuració interna facilita aquest flux d'energia. La fusta, per exemple, no és un bon conductor de la calor perquè triga molt a escalfar-se. Però en canvi el ferro, el coure i altres metalls sí que ho són, el que significa que les seves partícules adquireixen energia cinètica amb molta rapidesa.

El greix tèrmica que s'usa en els xips d'ordinador és bon material conductor de calor, però no d'electricitat. Font: Wikimedia Commons.

Per això els metalls són els favorits per a la fabricació d'estris de cuina, com olles i paelles. S'escalfen ràpidament i assoleixen temperatures prou altes com perquè els aliments es cuinin adequadament.

No obstant això mànecs i nanses, que estan en contacte amb les mans de l'usuari, es fan d'altres materials aïllants de la calor. D'aquesta manera les paelles es manipulen amb facilitat tot i estar calents.

Tipus de conductors

En funció de la seva forma de conduir la calor, els materials es classifiquen en:

- Conductors tèrmics: el diamant i els metalls com coure, ferro, zinc i alumini, entre d'altres. Usualment els bons conductors d'electricitat també ho són de la calor.

- Aïllants tèrmics: fusta, goma, fibra de vidre, plàstic, paper, llana, anime, suro, polímers són bons exemples. Els gasos tampoc són bons conductors.

Conductivitat tèrmica dels materials

La propietat que caracteritza intrínsecament la forma en què cada un d'ells condueix la calor es diu conductivitat tèrmica. Com més elevada és la conductivitat tèrmica d'una substància, millor condueix la calor.

La conductivitat tèrmica de les substàncies es determina experimentalment. En el Sistema Internacional d'Unitats SI, la conductivitat tèrmica es mesura en Watt / (metre x kelvin) o W / (mK). S'interpreta de la següent manera:

Una altra unitat per a la conductivitat tèrmica utilitzada en els països anglosaxons és BTUH / (ft.ºF), on les sigles BTUH corresponen a British Thermal Unit per hora.

La calor flueix a través de l'sòlid quan hi ha una diferència de temperatura entre els seus extrems. Font: Wikimedia Commons.

Valors de la conductivitat tèrmica

A continuació les conductivitats tèrmiques d'alguns elements i materials trobats a la natura i que són d'ús freqüent en la indústria.

No obstant això cal acotar que existeixen compostos sintètics, encara en fase experimental, la conductivitat tèrmica supera amb molt a la de el diamant, que encapçala la taula.

La temperatura és decisiva en el valor de la conductivitat tèrmica dels metalls. A l'augmentar la temperatura també ho fa la conductivitat tèrmica (encara que l'elèctrica disminueix). Per als no metalls, la conductivitat tèrmica és aproximadament constant en un ampli rang de temperatures.

Els valors de la taula estan especificats a 25 ºC i 1 atmosfera de pressió.

A l'seleccionar un material per les seves propietats tèrmiques, cal tenir en compte que s'expandeix amb la calor. Aquesta capacitat ve donada pel coeficient d'expansió tèrmica.

Principals conductors de calor

diamant

El diamant és el millor conductor tèrmic en la natura. Font: Robert Lavinsky a través de Wikimedia Commons.

És el millor conductor tèrmic a temperatura ambient, molt millor que el coure i qualsevol altre metall. En el diamant, que és un aïllant elèctric, la calor no flueix mitjançant els electrons de conducció sinó per la propagació de vibracions en la seva estructura cristal·lina, altament organitzada. Aquestes vibracions reben el nom de fonons.

A més té un baix coeficient d'expansió tèrmica, el que significa que les seves dimensions es mantindran properes a les originals quan es calenta. Quan es requereix d'un bon conductor de calor que no condueixi electricitat, el diamant és la millor opció.

Gràcies a això, s'utilitza molt per eliminar la calor que els circuits de les computadores i altres dispositius electrònics produeixen. Però té un desavantatge important: és summament costós. Encara existeixen els diamants sintètics, la seva fabricació no és fàcil i també són cars.

plata

Monedes de plata

És un metall molt apreciat per l'ornamentació per la seva brillantor, color i mal·leabilitat. És resistent a l'oxidació i entre tots els metalls és el que té la major conductivitat tèrmica, així com excel·lent conductivitat elèctrica.

Per això té múltiples aplicacions en la indústria, tant sola com en aliatges amb altres elements com níquel i pal·ladi.

Amb la plata pura es fabriquen circuits impresos, cables superconductors d'alta temperatura i es recobreixen conductors d'ús en electrònica, a més d'emprar en aliatge per fer contactes elèctrics.

Té el desavantatge de ser relativa escassa i per això costosa, però la combinació única de propietats físiques per a aquestes aplicacions la converteixen en una excel·lent alternativa, ja que és molt flexible i amb ella s'obtenen conductors de bona longitud.

coure

Fils de coure

És un dels metalls més usats quan es requereix una bona conductivitat tèrmica, perquè no es corroeix fàcilment i el seu punt de fusió és bastant alt, el que significa que no es fondrà fàcilment quan és exposat a la calor.

Altres avantatges que té és la seva ductilitat, a més de no ser magnètic. El coure és reciclable i és molt menys costós que la plata. No obstant això el seu coeficient d'expansió tèrmica és alt, amb la qual cosa les seves dimensions canvien apreciablement a l'escalfar-se.

Per les seves bones propietats tèrmiques s'utilitza molt en estris de cuina, com olles de coure recobertes d'acer, per exemple. També per fabricar intercanviadors de calor en tancs d'aigua calenta, en sistemes de calefacció central, radiadors d'automòbils i per dissipar calor en dispositius electrònics.

or

Màscara prehispànica d'or

És el metall preciós per excel·lència i ocupa un lloc preponderant en la història de la humanitat. A banda d'aquest significat especial, l'or és mal·leable, resistent i un excel·lent conductor de la calor i de l'electricitat.

Com l'or no es corroeix, s'utilitza per transportar petites corrents en components electrònics d'estat sòlid. Aquests corrents són tan petites que es poden interrompre fàcilment a el més mínim indici de corrosió, per això l'or garanteix components electrònics fiables.

També s'empra per fabricar connectors d'audiòfons, contactes, relés i en cables de connexió. Dispositius com telèfons intel·ligents, calculadores, ordinadors portàtils i d'escriptori i televisors contenen petites quantitats d'or.

Els vidres especials per climatitzar espais també contenen or dispers, de tal manera que ajudin a reflectir la radiació de sol cap a fora, mantenint la frescor a l'interior quan fa molta calor. De la mateixa manera ajuden a mantenir la calor interna en l'edificació quan és hivern.

liti

Bateria d'ió liti. Autor: Mr. ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * photography day, August, 2005 * photography person Aney. Font: Wikimedia Commons.

És el més lleuger de tots els metalls, encara que molt reactiu per la qual cosa es corroeix amb facilitat. També cal manejar amb molta precaució, perquè és altament inflamable. A causa d'això, si bé és abundant, no se li troba en estat lliure sinó en compostos, per la qual cosa ha de ser aïllat generalment mitjançant mètodes electrolítics.

La seva conductivitat tèrmica és semblant a la de l'or, però resulta molt més econòmic que aquest. El carbonat de liti és un compost emprat en la fabricació de vidres i ceràmiques resistents a la calor.

Un altre ús molt estès de el liti és la fabricació de bateries lleugeres de llarga durada, per a això s'empra el clorur de liti per extreure liti metàl·lic. Afegit en el processament de l'alumini, augmenta la conductivitat elèctrica d'aquest i disminueix les temperatures d'operació.

alumini

Cub metàl·lic d'alumini. Font: Carsten Niehaus

Aquest metall lleuger, econòmic, altament resistent i fàcil de treballar, és un dels principals materials usats per a fabricar intercanviadors de calor en equips de climatització, com aires condicionats i calefactors.

Tant a nivell domèstic com industrial, els estris d'alumini s'utilitzen extensament en les cuines de tot el món.

Els estris d'alumini com olles, paelles i safates per coure són summament eficients. No canvien el sabor dels aliments i permeten que la calor s'escampi de manera ràpida i uniforme a l'cuinar.

Malgrat tot, les olles i paelles d'alumini han estat desplaçats per l'acer inoxidable, que no és tan bon conductor tèrmic. Això es deu al fet que l'acer inoxidable no reacciona amb àcids més forts, com a salsa de tomàquet per exemple.

Per això és preferible fer salses de tomàquet en utensilis d'acer, per evitar que l'alumini passi al menjar, ja que alguns han associat l'alumini -present en antiàcids, talcs, desodorants i molts productes més- amb l'aparició de malalties degeneratives, si bé la major part dels experts, així com la FDA, desestimen aquesta hipòtesi.

Cassola d'alumini en primer pla. Font: Pixabay.

Els estris de cuina fets amb alumini anoditzat no tenen el risc de desprendre partícules d'alumini i en principi poden utilitzar-se amb més seguretat.

bronze

El bronze d'aquestes campanes antigues demostra la utilitat dels metalls per a fins ornamentals o religiosos. Font: Pxhere.

El bronze és un aliatge de coure i estany principalment, amb altres metalls en menor proporció. Ha estat present des de temps remots en la història de la humanitat.

És tan important que fins i tot s'ha nomenat a un període de la Prehistòria com l'Edat de l'Bronze, l'època en què les persones van descobrir i van començar a utilitzar les propietats d'aquest aliatge.

El bronze és resistent a la corrosió i fàcil de treballar. Inicialment es va utilitzar per fabricar utensilis diversos, eines, joieria, objectes d'art (escultures per exemple) i armes, així com per encunyar monedes. En l'actualitat se segueix emprant per fabricar canonades, parts mecàniques i instruments musicals.

zinc

Vidre de rellotge amb òxid de zinc. Font: Adam Rędzikowski

És un metall blanc blavós molt mal·leable i dúctil, fàcil de treballar, tot i que amb baix punt de fusió. És conegut des de l'antiguitat, principalment emprat en aliatges.

Actualment s'usa per galvanitzar acer i protegir així de la corrosió. També per fabricar bateries, pigments i manufacturar làmines de zinc especials per a la indústria de la construcció.

ferro

Llimadures de ferro en un imant. Font: Aney via Commons altres projectes.

El ferro és un altre metall amb gran significat històric. Així com el bronze, el ferro es vincula amb una etapa de la Prehistòria en la qual es van produir grans avenços tecnològics: l'Edat del Ferro.

En l'actualitat el ferro colat segueix tenint moltíssimes aplicacions per fabricar eines, estris, en la construcció i com a material per a la fabricació de parts automotrius.

El ferro és molt bon conductor de la calor, com hem vist. Els objectes de ferro distribueixen molt bé la calor i el mantenen per molt de temps. A més té alt punt de fusió, que el fan resistent a les altes temperatures, d'allí la seva utilitat en la fabricació de tot tipus de forns, tant industrials com domèstics.

referències

1. CK-12. Thermal Conductors and Insulators. Recuperat de: ck12.org.
2. Copper: Properties and Applications. Recuperat de: copperalliance.org.
3. Efunda. Properties of commons solid materials. Recuperat de efunda.com
4. Hill, D. Thermal Properties of Cast Iron. Recuperat de: ehow.com.
5. King, H. The many facis servir of gold. Recuperat de: geology.com.
6. Liti. Recuperat de: gob.mx.
7. Física re-creativa. Transmissió de calor. Recuperat de: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. List of thermal conductivities. Recuperat de: es.wikipedia.org.