conductividad térmica

History

Los primeros experimentos los realizó Jan Ingenhousz en el siglo XVIII, comparando cómo distintos metales conducen el calor. Pero la base científica la sentó Jean Baptiste Joseph Fourier en 1822, al deducir la ley de conductividad térmica, la ecuación principal de la transferencia de calor.

How it works

El calor es el temblor de los átomos. En un sólido, los átomos están unidos rígidamente por muelles (enlaces químicos). Si se calienta un extremo, los átomos de allí empiezan a temblar más fuerte y agitan a los vecinos, transmitiendo las vibraciones a lo largo de la cadena. En los metales, además, hay electrones libres (diminutas partículas transportadoras) que, como mensajeros rápidos, reparten la energía mucho más deprisa que las vibraciones de la red. Por eso los metales conducen el calor excelentemente.

History

Los primeros experimentos los realizó Jan Ingenhousz en el siglo XVIII, comparando cómo distintos metales conducen el calor. Pero la base científica la sentó Jean Baptiste Joseph Fourier en 1822, al deducir la ley de conductividad térmica, la ecuación principal de la transferencia de calor.

How it works

El calor es el temblor de los átomos. En un sólido, los átomos están unidos rígidamente por muelles (enlaces químicos). Si se calienta un extremo, los átomos de allí empiezan a temblar más fuerte y agitan a los vecinos, transmitiendo las vibraciones a lo largo de la cadena. En los metales, además, hay electrones libres (diminutas partículas transportadoras) que, como mensajeros rápidos, reparten la energía mucho más deprisa que las vibraciones de la red. Por eso los metales conducen el calor excelentemente.

History

La ley de conductividad térmica fue formulada por Joseph Fourier en 1822 en su «Teoría analítica del calor». Durante más de un siglo, la conductividad térmica fue una constante fenomenológica. La teoría cinética de los gases (James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann) permitió relacionarla con el movimiento molecular. En el siglo XX, el desarrollo de la teoría cuántica del estado sólido (Peter Debye, Rudolf Peierls) condujo al modelo fonónico y a la predicción de la resistencia térmica de la red. A finales del siglo se descubrieron materiales con conductividad térmica extrema (diamante, grafeno, nanotubos).

How it works

En los sólidos, el calor se transporta mediante dos portadores principales: electrones de conducción y fonones. Los fonones —vibraciones colectivas de la red— se comportan como un gas de cuasipartículas y obedecen la estadística de Bose-Einstein. La distribución de fonones por frecuencias y vectores de onda se describe mediante relaciones de dispersión dependientes de la simetría del cristal. La resistencia térmica surge debido a la finitud del recorrido libre medio de los fonones, limitado por el anarmonismo de los potenciales interatómicos (procesos de tres fonones), el desorden isotópico, los defectos y el tamaño de grano. A altas temperaturas domina la dispersión por otros fonones (los llamados procesos umklapp). En nanoestructuras, el recorrido libre medio puede estar limitado por las dimensiones geométricas, lo que reduce la conductividad térmica (régimen balístico de fonones).

Open problems & fun facts

Predicción teórica de la conductividad térmica de nuevos materiales a partir de primeros principios sin parámetros empíricos.; Creación de materiales con conductividad térmica controlable mediante campos externos.; Comprensión del papel de los anarmonismos de alto orden en sistemas de conductividad térmica ultraalta (grafeno, nitruro de boro cúbico).

💡 En el helio-4 superfluido, la conductividad térmica no obedece la ley clásica de Fourier: el calor se propaga como «segundo sonido», una onda de temperatura que se mueve a unos 20 m/s.