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CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Se trata de definir las características térmicas de los distintos materiales, difusividad y efusividad térmica como clave para la elección de un determinado material en detrimento de otro o viceversa.

Las principales características a tener en cuenta son las siguientes:

  • Conductividad térmica (λ)
  • Densidad (ρ)
  • Calor específico (Cp)
  • Calor específico volumétrico (ρCp)
  • Difusividad térmica (a)
  • Efusividad térmica (b)

 

El proceso de conducción de calor se produce de una manera espontánea entre los cuerpos más calientes y los más fríos, cuando entran en contacto, o dentro de un mismo volumen de la parte más caliente a la más fría.

La relación fundamental que describe el fenómeno de la conducción fue propuesta por Joseph Fourier y se conoce como ley de Fourier: “En cualquier lugar de un medio isótropo, la densidad del flujo térmico instantáneo es proporcional a la conductividad térmica del material y su gradiente de temperatura” (Sacadura, 1982):

φ = –λ grad T

La conductividad térmica (λ) expresa la capacidad de conducción de calor que tiene el material, es por tanto el cociente de la densidad del flujo térmico y el gradiente de temperatura (W/mK). El rango de valores de conductividad en los materiales es muy amplio. Entre los que menos conductividad tienen o aislantes, como es el caso de la espuma de poliuretano (0,026 W/mK), y los más conductores, como el cobre (389 W/mK), existe una relación de 1 a 15.000. Sin embargo, para los denominados como materiales de construcción, incluidos los aislantes, esta relación es sólo del 1 a 135.

 

La densidad (ρ) o masa volumétrica de un material, define el coeficiente entre la cantidad de masa (Kg) que caracteriza el material y el volumen unitario (m³). Su valor se mide en Kg/m³. En este caso el rango de calores, si se incluyen los metales guarda una relación de 1 a 600, bastante menos que en la conductividad. Estos varían desde 5 a 30 Kg/m³ en los aislantes hasta 8900 Kg/m³ en el cobre. En cambio, la relación es de 1 a 170 si se consideran únicamente los materiales de construcción, relación muy cercana a la que se da en la conductividad.

 

El calor específico (Cp) es la característica del material que expresa la cantidad de calor necesario (J) para aumentar un grado (1K) la temperatura de una unidad de masa (Kg); se mide en J/KgK. El calor específico determina la capacidad de un material para acumular calor. Su valor, que depende del material, tiene un rango de variación bastante menor para la mayoría de materiales de construcción de 1 a 4; el rango está comprendido entre 500 y 200J/KgK y pocos materiales salen de este rango. Un caso especial es el del agua, cuyo calor específico es particularmente elevado (4187 J/KgK). Por ello, el agua es utilizada como medio de almacenamiento térmico en una gran variedad de aplicaciones.

 

Las propiedades enunciadas anteriormente son las características elementales de cualquier material desde el punto de vista térmico. El estudio del comportamiento de los materiales cuando están sometidos a cambios cíclicos del clima del lugar obliga a introducir otras características más complejas en combinación con las anteriores características elementales.

  tabla

Imagen: Lista de materiales y sus propiedades térmicas a temperatura ambiente.

Fuente: Arquitecto E. M. González

 

En primer lugar analizaremos el producto del calor específico por la densidad, conocido como el calor específico volumétrico (pCp). Éste determina la capacidad de almacenamiento de calor de un determinado material o su capacidad volumétrica. El calor específico de los materiales no sufre grandes variaciones entre los diferentes materiales, por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de calor está íntimamente ligada a su densidad. Es por esta misma razón por la que cuando hacemos referencia a elementos de alta capacidad de almacenamiento de calor siempre pensamos en grandes muros de piedra, hormigón o ladrillo.

Otras características que cabe remarcar y analizar para comprender el comportamiento de los materiales ante los cambios que se producen en su entorno inmediato son la difusividad térmica y la efusividad térmica.

 

La difusividad y la efusividad térmica son parámetros complejos que se obtienen a partir de los anteriores parámetros simples (λ, pCp) y dependen de su combinación correctamente definida y expresando cada uno una propiedad física característica:

 

  • Difusividad térmica (a): Expresa la capacidad de un material para transmitir una variación de temperatura.

a = λ/ρCp

  • Efusividad térmica (b): Expresa la capacidad de un material para absorber o restituir un flujo de calor o potencia térmica (Lavigne, 1994).

b = (λρCp)½

A diferencia de la densidad (ρ) y el calor específico volumétrico (ρCp), que expresan la capacidad de almacenamiento de un material, la difusividad térmica expresa lo que se denomina como velocidad de difusión de la temperatura de determinado material. Si se somete a un cambio de temperatura a dicho material su temperatura variara en mayor o menor medida, cuanto mayor sea la variación mayor será su difusividad térmica. Considerando un intervalo de temperatura reducido, es decir, una conductividad térmica (λ) constante la ecuación de conservación de energía en conducción pura será:

ρCp(dT/dt) = λΔT

dT/dt = aΔT, donde el coeficiente: a = λ/ρCp es el denominado como difusividad térmica, medida en m²/s.

 

Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la difusividad térmica será mayor con el aumento de la conductividad y con una disminución del calor especifico volumétrico. El rango de variación de la difusividad térmica será aproximadamente de 1 a 12 para los materiales de construcción, incluyendo los aislantes, salvo en algunos casos especiales.

En la tabla que se adjunta anteriormente podemos comprobar las semejanzas de materiales que son completamente distintos en su composición pero que tienen una gran semejanza en cuanto al comportamiento en relación con la variación de la temperatura interna de los materiales cuando los sometemos a un cambio semejante de temperatura.

 

La efusividad térmica determina el flujo de calor que el material absorbe de acuerdo a su estado térmico, es decir, la efusión de una potencia térmica dentro de un material.

 

Consideremos un material de dimensión semi-infinita a una temperatura uniforme T0. La superficie del material es llevada bruscamente a una temperatura T1. El cálculo de la densidad de flujo que pasa a través de la superficie puede hacerse a partir de la Ley de Fourier (Sacadura 1982):

 

φ0 = −λ(dT/dt)x=0 = (T1-T0)(λρCp/πt)½= b (T1-T0/(πt)1/2), donde b = (λρCp)½ es la efusividad térmica del material en (J/m²Ks½).

 

La densidad de flujo (flujo térmico por unidad de área, W/m²) que penetra en el material es proporcional a su efusividad.

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CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

Para plantear correctamente el diseño de los componentes constructivos de una edificación se requiere, no solo de consideraciones estéticas, acústicas, estructurales o económicas, entre otras, sino también de consideraciones térmicas. Las características termo-físicas de los materiales a utilizar para disminuir la carga térmica en los climas cálidos y lograr condiciones de confort, así como el régimen de ventilación de una casa, deben ser decididas siempre en relación al contexto micro-climático y en función del uso que se le va a dar a la edificación.

En una edificación concretamente en un local, en general la temperatura interior es la resultante del equilibrio entre los aportes y las pérdidas de calor del mismo. En ausencia de un sistema de climatización, la evolución de la temperatura interna depende, en buena medida, de los flujos de calor que por conducción son transferidos a través de los paramentos (techos, paredes y suelo). La conductividad térmica y el calor específico volumétrico de los materiales, además de las características superficiales de los cerramientos, determinan la ganancia de calor en el interior del recinto a través de ellos. La edificación está sometida al efecto periódico de la radiación solar incidente y de la temperatura exterior. Bajo estas condiciones exteriores variables, los materiales utilizados regulan la entrada y la salida de calor de acuerdo con dos parámetros de cierta complejidad que determinan las características de todo material: la difusividad y efusividad térmica.

Su comprensión resulta de gran importancia para conocer el comportamiento térmico de cada material, especialmente, bajo un enfoque bioclimático, cuando se busca obtener el máximo rendimiento de la envolvente del edificio.

 

Actualmente entre las recomendaciones relativas a los distintos tipos de materiales a utilizar en la edificación, dependiendo siempre del tipo de clima, únicamente se hace referencia a una de sus características térmicas. Se recomienda la utilización de materiales aislantes, livianos o pesados, de alta o baja capacidad térmica, son algunas de las características más utilizadas. Estas referencias no deben ser únicamente respecto a una de sus propiedades térmicas, de forma independiente, ya que todo material posee esas propiedades y éstas están interrelacionadas. Un material aislante que tiene baja conductividad térmica, tiene también determinados valores de densidad y de calor específico, que lo pueden diferenciar de otro material con las mismas características aislantes o similares respecto a su conductividad térmica; basta que la densidad de ambos materiales sea distinta para que el comportamiento de ambos materiales con semejante conductividad sea diferente. Por esta razón, es necesario ser más preciso cuando se recomienda el uso de un determinado material, teniendo en cuenta el global de sus características técnicas. La correlación entre difusividad y efusividad térmica de los distintos materiales puede ser una herramienta de ayuda para la selección de los materiales durante la fase de proyecto.