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Calculadora de conducción térmica

Calcula la transferencia de calor en régimen estacionario por una pared con la ley de Fourier: conductividad, área, diferencia de temperatura y grosor.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la ley de conducción de Fourier?

Establece que el flujo de calor a través de una pared es proporcional a la conductividad, el área y la diferencia de temperatura, e inversamente proporcional al grosor.

¿Cómo cambia el grosor la pérdida de calor?

Duplicar el grosor de la pared reduce a la mitad el flujo de calor conducido, por lo que un aislamiento más grueso reduce la pérdida de calor.

¿Importa si introduzco la diferencia de temperatura en Celsius o en kelvin?

No. La ley de Fourier usa la diferencia de temperatura entre las dos caras, no una temperatura absoluta, y una diferencia de 1 grado Celsius equivale exactamente a una diferencia de 1 kelvin. Así, una diferencia de 20 K y una de 20 grados Celsius dan el mismo flujo de calor. Solo usa kelvin absolutos cuando una fórmula requiera una temperatura absoluta, como en los cálculos de radiación.

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Estimaciones solo con fines informativos.

Aviso importante: Estimaciones solo con fines informativos.

Esta calculadora ofrece estimaciones con fines informativos. Los resultados se basan en supuestos y pueden no reflejar resultados reales. Consulta a profesionales calificados en las áreas correspondientes antes de tomar decisiones importantes basadas en estos resultados.

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Cómo funciona esta calculadora

La ley de conducción de calor de Fourier describe cómo fluye la energía térmica a través de una pared sólida. La tasa de transferencia de calor es proporcional a la conductividad térmica del material, al área de la sección transversal y a la diferencia de temperatura a través de la pared, y es inversamente proporcional al grosor de la pared. Las paredes más gruesas y la menor conductividad ralentizan el flujo.

Cómo usarla

Ingresa la conductividad térmica en vatios por metro-kelvin, el área en metros cuadrados, la diferencia de temperatura entre las dos caras en kelvin o grados Celsius, y el grosor en metros. La calculadora devuelve la tasa de transferencia de calor en régimen estacionario en vatios, que es la potencia conducida a través de la pared.

Ejemplo resuelto

Calcula el flujo de calor a través de una placa de acero. La ley de Fourier es Q = k × A × ΔT ÷ L.

Datos: k = 50 W/m·K (acero), A = 2 m², ΔT = 20 K, L = 0.1 m.

Q = 50 × 2 × 20 ÷ 0.1 = 2000 ÷ 0.1 = 20,000 W (20 kW). Duplicar el grosor a 0.2 m reduciría el flujo a la mitad, hasta 10,000 W.

Conductividad de materiales comunes

El cobre conduce el calor muy bien, alrededor de 400 vatios por metro-kelvin, mientras que el aislamiento de construcción se sitúa cerca de 0.04. Elegir un material de baja conductividad o una capa más gruesa reduce la pérdida de calor, que es la base del aislamiento de paredes, ventanas y tuberías.

Consejos

Una diferencia de temperatura en Celsius equivale a la misma diferencia en kelvin.
Duplicar el grosor reduce a la mitad el flujo de calor.
Los aislantes tienen valores bajos de conductividad.

Resistencia térmica y valores R

La resistencia térmica es la oposición que un material ofrece al flujo de calor, directamente análoga a la resistencia eléctrica en un circuito. Para una losa de material, la resistencia es R = L / (k × A), donde L es el grosor, k es la conductividad térmica y A es el área de la sección transversal. Un R mayor significa que fluye menos calor para la misma diferencia de temperatura.

En la física de la construcción, los valores R se expresan normalmente por unidad de área (m²K/W en SI, o ft²°F·h/BTU en unidades usuales de EE. UU.). Un conjunto de pared residencial común podría tener capas de 12.7 mm de placa de yeso (k ≈ 0.17), 89 mm de manta de fibra de vidrio (k ≈ 0.044) y 12 mm de tablero OSB (k ≈ 0.13). Como estas capas están en serie, sus resistencias térmicas simplemente se suman, igual que se suman las resistencias eléctricas en serie. Los caminos de calor en paralelo, como los montantes de madera junto al aislamiento, se combinan como resistencias en paralelo y deben ponderarse por sus fracciones de área.

La norma ASHRAE 90.1, el estándar de energía para edificios comerciales, fija valores R mínimos para los conjuntos según la zona climática. Por ejemplo, la zona climática 5 requiere R-20 o mejor para muros sobre rasante y R-38 para cubiertas. La etiqueta impresa en las mantas de aislamiento es el valor R según el grosor instalado en condiciones estándar; comprimir la manta reduce el valor R efectivo proporcionalmente.

Selección de materiales en la práctica

Los metales abarcan un amplio rango. El cobre (385 W/m·K) y el aluminio (205 W/m·K) son los materiales preferidos para disipadores porque alejan el calor de los componentes electrónicos rápidamente. El acero se sitúa cerca de 50 W/m·K, útil donde se necesita resistencia estructural junto con una conductividad razonable, como en los tubos de intercambiadores de calor. El titanio ofrece solo unos 22 W/m·K, sin embargo las estructuras aeroespaciales lo usan porque su relación resistencia-peso es excepcional y su menor conductividad es un compromiso aceptable en aplicaciones no térmicas.

Las cerámicas cubren un rango enorme. La alúmina (Al&sub2;O&sub3;, aproximadamente 30 W/m·K) y el carburo de silicio (SiC, aproximadamente 120 W/m·K) son materiales populares como sustrato electrónico porque son aislantes eléctricos pero conducen el calor lo suficientemente bien como para dispersar el calor de los chips de potencia. En cambio, el ladrillo refractario común se sitúa por debajo de 1 W/m·K, lo que lo convierte en un revestimiento refractario eficaz.

Los polímeros son generalmente malos conductores (0.1 a 0.5 W/m·K), lo que los convierte en aislantes térmicos naturales. Por eso los mangos de plástico de los utensilios de cocina se mantienen fríos, y por eso las espumas poliméricas se usan para el calorifugado de tuberías y el aislamiento de edificios. El aerogel es el caso extremo: el aerogel de sílice tiene una conductividad tan baja como 0.015 W/m·K a presión ambiente, menor que la del aire en reposo, porque la estructura nanoporosa suprime la conducción en fase gaseosa. Los materiales de cambio de fase (PCM) como las parafinas añaden almacenamiento de calor latente a un conjunto de pared: absorben grandes cantidades de calor al fundirse y lo liberan al enfriarse, amortiguando las oscilaciones diarias de temperatura sin cambiar significativamente la conductividad en régimen estacionario.

Consideraciones de diseño y limitaciones

Esta calculadora supone conducción en régimen estacionario: las temperaturas en ambas superficies son fijas, las propiedades del material son uniformes y ha transcurrido suficiente tiempo para que el flujo de calor sea constante en toda la pared. En situaciones transitorias, como un horno calentándose o un edificio templándose tras el amanecer, importa la masa térmica (capacidad calorífica) del material, y se necesita un análisis dependiente del tiempo. La ecuación transitoria de Fourier introduce una segunda variable, la difusividad térmica (α = k / (ρ c_p)), que gobierna la rapidez con que los cambios de temperatura se propagan por el material.

La resistencia de contacto en las interfaces entre materiales es una fuente común de discrepancia entre el flujo de calor calculado y el medido. Incluso las superficies que parecen planas tienen asperezas microscópicas que crean huecos de aire, y el aire es un mal conductor. Los materiales de interfaz térmica (TIM) como la grasa térmica, las almohadillas de cambio de fase y la lámina de indio reducen la resistencia de contacto en los conjuntos electrónicos. En la construcción de edificios, los huecos entre la estructura y el aislamiento pueden degradar de forma similar los valores R reales muy por debajo de los valores nominales de la etiqueta.

La conducción es solo uno de los tres mecanismos de transferencia de calor. La convección transporta calor mediante el movimiento de fluido en las superficies (el término h·A·ΔT en los valores U globales), y la radiación intercambia energía como ondas electromagnéticas incluso a través del vacío. En hornos de alta temperatura o en aplicaciones espaciales, la radiación a menudo domina, y tratar la conducción por sí sola da una pérdida total de calor significativamente subestimada. Para un análisis completo, los tres modos deben combinarse, a menudo mediante análisis de elementos finitos (FEA) cuando la geometría es compleja.

Aplicaciones comunes

Dimensionado de disipadores electrónicos: una CPU o un transistor de potencia disipa una potencia conocida; el disipador debe conducir esa potencia al aire ambiente dentro de un aumento admisible de la temperatura de unión. La ley de Fourier da una primera estimación de la sección transversal del disipador y la longitud de las aletas antes del modelado detallado por CFD.
Aislamiento de tuberías: las tuberías industriales que transportan vapor o agua refrigerada pierden (o ganan) calor a través de sus paredes. Añadir aislamiento de conductividad y grosor conocidos reduce directamente la Q calculada, disminuyendo el costo energético y evitando la condensación en tuberías frías.
Envolvente del edificio: los muros, cubiertas y losas son conjuntos multicapa. Los arquitectos y modeladores energéticos usan el enfoque de resistencias en serie para asegurar el cumplimiento normativo y predecir las cargas de calefacción y refrigeración.
Vías térmicas en PCB: las vías rellenas de cobre a través de una placa de circuito impreso actúan como columnas de alta conductividad (k ≈ 385 W/m·K) que conducen el calor desde un componente de montaje superficial de un lado a un plano de cobre o disipador del otro, reduciendo drásticamente la resistencia térmica en comparación con el laminado FR4 circundante (k ≈ 0.3 W/m·K).