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Propiedades térmicas de los mater iales de construcción
Autor: Dr. HERNÁN ALVARADO
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Comportamiento térmico de un
cerramiento
Tienen doble papel térmico:
Resistencia a la transmisión del calor (Funcióntérmica resistiva)
Poder capacitivo o inercial (Función térmica
capacitiva)
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Transmisión del calor en régimen
estacionario Función térmica resistiva
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Mecanismos detransmisón de calor
Conducción: transferencia de energíadesde cada porción de materia a lamateria adyacente por contactodirecto, sin intercambio, mezcla o flujode cualquier material.
Convección: transferencia de energíamediante la mezcla íntima de distintaspartes del material: se producemezclado e intercambio de materia.
Convección natural: el origendel mezclado es la diferencia dedensidades que acarrea una
diferencia de temperatura.
Convección forzada: la causa delmezclado es un agitador mecánicoo una diferencia de presión(ventiladores, compresores...)
impuesta externamente.
Radiación: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas,emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.
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La conducción es el único mecanismo de transmisión del calor posible en losmedios sólidos opacos.
Cuando en tales medios existe un gradiente de temperatura, el calor se
transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperaturadebido al contacto directo entre moléculas.
CONDUCCIÓN
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Conducción Ley de Fourier : determinación del flujo de calor
dx
dT kAQ x
(Estado estacionario)
Calor difundido porunidad de tiempo
Conductividad térmica (W·m-1·grado -1):calor que atraviesa en la dirección x unespesor de 1 m del material comoconsecuencia de una diferencia de 1grado entre los extremos opuestos
Superficie (m2 ): superficie através de la cual tiene lugar latransmisión de calor
Gradiente de temperatura(grados/m): variación dela temperatura en ladirección indicada por x .
X
xQ
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Conductividades térmicas de algunos materialesa temperatura ambiente
Material K (W·m-1·K -1)
Vapor de agua 0.025
Aire 0.026
Agua líquida 0.61
Mercurio 8.4
Espuma de poliestireno 0.036
Papel 0.13
Vidrio 0.35-1.3
Hielo 2.2
Plomo 34
Acero 45
Aluminio 204
Cobre 380
k
Buenos conductores
Malos conductores
La conductividadtérmica cambia conel estado de agregación
... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción
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¿Cómo funciona el aislamiento térmico?:
Reduciendo intensamente la Transmisión térmica (U) a través de la superficieenvolvente del edificio. O lo que es lo mismo, aumentando intensamente suResistencia térmica (R):
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Conductividad térmica
Área A
Calor transferido en el tiempo t
EJEMPLO 1:CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana)
t QQ
Espesor
Integración de la ecuación de Fourier
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Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm deespesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºCrespectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K -1.
150
34.0
522
m K
x x
T T
dx
dT
fueradentro
fueradentro
25.125025.0 mW
dx
dT k
S
Q
Gradiente de temperaturas
Densidad de flujoTfuera
xdentro xfuera
Gradiente de temperaturas constante la temperatura varía linealmente
Gradiente de temperaturas constante densidad de flujo constante
0.34 m
dxdT
S
Q x
Tdentro
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Resistencias térmicas
Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una
resistencia a la conducción
x
T T k
A
Q 12
x
T 1 T 2 k x
T T
/
12
Conductividad
R
T T 12
R
T
Resistencia térmica en W-1·m2·K
Similitud con circuitos eléctricos
R
I
0V R
V I 0
R
T
A
Q
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Ejemplo. Resistencias en serie
R1 R2
Resistencia equivalente = suma de resistencias
EjemploCalcúlese la resistencia térmica de la pared de unrefrigerador, formada por tres capas de material, cuyosespesores son, de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm.Las conductividades térmicas de los tres materiales son,respectivamente, 0.25, 0.05 y 0.20 W· m-1 ·K-1.
08.025.0
02.0
1
11
k
x R W-1·m2·K
00.205.0
10.0
2
22
k
x R W-1·m2·K
15.020.0
03.0
3
33
k
x R W-1·m2·K
Resistencias en serie
23.2321 R R R R W-1·m2·K
R1 R2
2 10 3(cm)
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Cantidad de calor que pasa por un m2
del cerramiento cuando lastemperaturas a ambos lados difieren en 1°C. Sus unidades: W / m2.°C.
COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN TÉRMICA, K (o U)
Cuanto mayor es este K más rápido se transfiere el calor a través delcerramiento.
Así, sea grande o pequeño el valor de K, ambos lados acabaránalcanzando la misma temperatura. La diferencia estará en el tiempo
necesario para ello.
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Transmisión del calor en régimen
transitorio Función térmica capacitiva
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Si un cuerpo se le aporta calor, la temperatura de ese cuerpo se eleva. Enfunción de la velocidad a la que lo hace, ese cuerpo tiene mayor o menorcapacidad calorífica. Si es capaz de elevar su temperatura lentamente
implica que almacena mucho calor (energía) por cada grado de temperaturaque asciende. Se denomina calor específico a la propiedad que determinala cantidad de calor que debe suministrársele a 1 kg de material para que sutemperatura ascienda 1°C.
CALOR ESPECÍFICO
Fig. 10.- El cerramiento y su capacidad de almacenar energía.
Esta capacidad es proporcional a la masa del cerramiento y al calorespecífico del material. Ambos parámetros determinan la masa térmica.
La velocidad a la que se producirán los cambios dependerá de los estados aambos lados del cerramiento y a los parámetros de éste: su conductividad ysu capacidad de acumulación.
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EFECOS ANTE PERTURBACIONES EN UNA DE SUS CARAS O EN AMBAS
Fig. 11.1 – 11.4.- Diferentes situaciones en función del perfil y evolución de T a ambos lados deun cerramiento con elevada masa térmica
Fig. 13.- Comportamiento en función de la ordenación de capas en un cerramiento.
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Comportamiento dinámico de un
cerramiento
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La inercia térmica es la capacidad que tiene la masa de conservar laenergía térmica recibida e ir liberándola progresivamente con retardo. Debidoa esta capacidad, teniendo en cuenta la inercia térmica de los cerramientosde un edificio, puede disminuirse la necesidad de climatización, con laconsecuente reducción de consumo energético y de emisionescontaminantes.
INERCIA TÉRMICA
La inercia térmica conlleva dos fenómenos, uno de ellos es laamortiguación (de la onda) en la variación de las temperaturas y el otro esel retardo o desfase () de la temperatura interior respecto a la exterior.
Fig. 15.- a) Comportamiento térmico de la envolvente de masa pesada no aislada.b) Comportamiento térmico de la envolvente de masa pesada aislada por el exterior
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ALGUNOS DATOS PARA TENER EN CUENTA: