Propiedades térmicas de los materiales

Introducción En el modelo generalizado para los materiales, el calor es una forma de energía asociada con la posición y con el movimiento de las moléculas, de los átomos, y de los iones del material. La posición es análogo, con el estado del material y es la energía potencial, mientras que el movimiento de las moléculas, de los átomos, y de los iones es la energía cinética. El calor añadido a un material lo hace vibrar, y el calor retirado de un material lo hace más frío. La energía térmica se mide en calorías (caloría), en las unidades térmicas británicas (Btu), o en julios. Una caloría es la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado Centígrado (ºC). Un Btu es la unidad de energía necesaria elevar la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit (ºF). Un julio es una cantidad equivalente de la energía igual al trabajo hecho cuando una fuerza de un newton actúa en una distancia de un metro. La temperatura es una medida de la energía cinética media de una sustancia. Puede también estar Considerada, como una medida relativa de la diferencia del calor entre los cuerpos. Se define la capacidad de calor como la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de un mol o átomo de un material por un ºC sin cambiar el estado del material. Así, es el cociente del cambio, en energía térmica de unidad de masa de una sustancia para cambiar su temperatura. La capacidad de calor, designada a menudo como capacidad térmica, es a la característica de un material y se mide en calorías/gramo por ºC o Btu/lb por ºF. El calor específico es el cociente de la capacidad de calor de un material a la capacidad de calor de un material de referencia, generalmente el agua. Porque la capacidad de calor del agua es un Btu/lb y una caloría/gramo, el calor específico es numéricamente igual a la capacidad de calor. Transferencias térmicas a través de un material por conducción es consecuencia de pasar, la energía atómica y las vibraciones moleculares, a los átomos y a las moléculas con una energía más baja. Como es calor agregado a una sustancia, aumenta la energía cinética de la red cristalina de los átomos y de las moléculas. Esto, causa una dilatación del material que es proporcional al cambio de la temperatura, en los rangos de las temperaturas normales.

Mecanismos de la transferencia térmica El proceso de la transferencia térmica de un punto a otro es un resultado de las diferencias de la temperatura entre los dos. La energía térmica se puede transferir por cualquiera de los tres métodos básicos: • Conducción • Convección • Radiación Un modo relativo asociado al proceso de la convección es el cambio de la fase del fluido, tal como la condensación o la ebullición.

Conducción El transferencia térmica por conducción en los materiales sólidos ocurre siempre que una región más caliente con moléculas con vibraciones más rápidas, transfiere una porción de su energía a una región con moléculas más frías, con la vibraciones más lentas. La transferencia por conducción es la más común, del intercambio térmico en los equipos electrónicos. Conductividad térmica de los materiales sólidos utilizados en los equipo electrónicos, tienen una amplia gama de valores, desde el de excelente (alta conductividad) al los pobres (conductividad baja). Hablando en términos generales, los metales son mejores conductores del calor, mientras que los aisladores son los más pobres. La tabla 11.1 enumera la conductividad térmica de los materiales de uso general en la construcción en los sistemas electrónicos. La tabla 11.2 compara la conductividad térmica de varias substancias en relación al porcentaje de la conductividad térmica del cobre.

Convección La transferencia térmica por convección natural ocurre como resultado de un cambio en la densidad de un líquido (aire incluido), que causa el movimiento del fluido. La transferencia de calor por convección entre la superficie calentada y el líquido circundante es acompañada siempre por una mezcla del líquido adyacente de la superficie. Dispositivos electrónicos que usan la convección para enfriar el calor del elemento, normalmente utilizan el aire forzado o el agua. Este método de aire forzado, es un sistema de enfriamiento relativamente simple. En esta disposición, el gradiente de temperatura se confina en una capa delgada de líquido adyacente en la superficie para que el calor fluya por él. En el fluir de la corriente fuera de esta capa, las condiciones que existen son isotérmicas. Radiación El enfriamiento por la radiación es una función de la transferencia de la energía por la propagación de las ondas electromagnéticas. Las longitudes de onda entre 0.1 y 100 m se denominan radiaciones térmicas de las longitudes de onda. La capacidad de un cuerpo de irradiar energía térmica en una determinada longitud de onda es una función de la temperatura del cuerpo y de las características de la superficie del material. La figura 11.1 traza la capacidad de irradiar la energía de un radiador ideal, el cuerpo negro, que por definición, irradia la cantidad máxima de energía en cualquier longitud de onda. Materiales que actúan como radiadores perfectos son raros. La mayoría de los materiales energía radiada es una fracción del valor máximo posible. El cociente de la energía radiada por un material determinado a la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura se llama emisividad. La tabla 11.3 enumera la emisividad de varios materiales comunes.

La física del agua hirviendo La curva de Nukiyama que mostramos en la figura 11.2 nos indica la capacidad del calor transferido (medida en vatios por el centímetro cuadrado) de una superficie, sumergido en agua a varias temperaturas. La primera porción de la curva- zona A - indica que desde los 100º C a 108°C, la transferencia térmica es una función linear del diferencial de la temperatura entre la superficie caliente y el agua, alcanzando un máximo alrededor de 5 W/cm2 en los 108°C. Esta área linear se conoce como la zona de enfriamiento de la convección. La ebullición ocurre en agua en un cierto punto, lejos de la superficie. Desde los 108ºC a los 125°C -zona B- el calor transferido aumenta como la cuarta potencia del ∆T hasta, los 125°C, alcanzando los 135 W/cm2. Esta zona es denominada zona de la ebullición nucleada; eso es, las burbujas individuales del vapor se forman en la superficie caliente, se alejan hacia arriba través del agua de la atmósfera. Alrededor de los 125°C, se observa, una porción inestable en la curva de Nukiyama, donde se incrementa la temperatura de la superficie reduciendose su conductibilidad. En la - zona C - el vapor aísla parcialmente la superficie del agua hasta una temperatura de 225°C que se alcanza aproximadamente en la superficie. En éste punto - llamado punto de Leidenfrost - la superficie se cubre totalmente con una envoltura de vapor, y toda la transferencia térmica, se realiza a través de esta cubierta de vapor. La conductividad térmica de esta zona es solamente 30 W/cm2 . Desde el punto de Leidenfrost a través de la zona D – zona de la vaporización - la transferencia aumenta con temperatura hasta aproximadamente 1000°C , al valor de 135 W/cm2. El diagrama linear de la curva de Nukiyama indica que las zonas A y B son relativamente estrechas y en una superficie con capacidad de calor ilimitada tenderá a pasar de la zona A, a la zona D en un breve periodo de tiempo. Este sobrecalentamiento irreversible se conoce como calefacción. Por ejemplo, para un ánodo cilíndrico de un tubo de vacío, el paso directamente a la calefacción no sería posible, porque la densidad del calor transferido sería de 135 W/cm2 dando lugar a una temperatura alrededor de los 1000 °C, sobrepasando los límites del dispositivo.

Aplicación de los principios del enfriamiento Una temperatura excesiva en el funcionamiento es quizás la causa más importante en los fallos de los sistemas electrónicos. El control de la temperatura es importante porque las características de los muchos materiales utilizados para construir los dispositivos, cambian con el aumento de la temperatura. En algunas aplicaciones, estos cambios son insignificantes. En otros, sin embargo, tales cambios pueden dar lugar a efectos perjudiciales, llevando al peor de los casos –a los fallos catastróficos. La tabla 11.4 detalla la variación de características eléctricas y térmicas con la temperatura para las varias sustancias. La figura 11.3 muestra que la temperatura depende de los parámetros térmicos, de los materiales en el encapsulado seleccionado. La figura 11.4 muestra los rangos de funcionamiento de varias técnicas del enfriamiento del calor.

Sistemas de enfriamiento por aire forzado La refrigeración por aire es el método más simple y más común de eliminar el calor residual de los dispositivos electrónicos. El flujo normal del aire caliente es ascendente, haciéndola constante con el flujo normal de corrientes de convección. Debe prestarse atención a la eficacia y turbulencia de la circulación de aire en el diseño de un sistema de enfriamiento. Considerando el caso mostrado en la Figura 11.5. La disposición incorrecta da lugar a un movimiento ineficaz del aire que es la causa de circulación de corrientes térmicas. La disposición del enfriamiento se ilustra en la figura 11.6 mostrando el paso uniforme del aire de enfriamiento sobre el dispositivo. La fiabilidad de largo plazo de un sistema electrónico requiere una atención especial. Las pruebas periódicas y el mantenimiento preventivo son componentes importantes en este esfuerzo. El funcionamiento óptimo del sistema de enfriamiento se puede alcanzar solamente cuando están funcionando todos los elementos del sistema correctamente.

Aire dirección del sistema La temperatura del aire de entrada para una instalación electrónica es un parámetro que está generalmente bajo control del usuario final. La temperatura predominante del aire de enfriamiento es típicamente no más elevada de 75°F, y no más bajo que el punto de condensación del lugar. La temperatura del aire, no debe variar debido a un sistema de aire acondicionado de gran tamaño o por la instalación de otras piezas del equipo. Otro método conveniente para comprobar la eficacia del sistema de enfriamiento en un periodo de tiempo implica documentar de la presión que existe dentro compartimiento del equipo. Esta medida se hace con un manómetro, un dispositivo simple que está disponible en la mayoría de los dispositivos de la calefacción, de la ventilación, y del aire acondicionado La conexión de un manómetro simplificado a una salida del transmisor se ilustra en la Figura 11.7.

Leyendo las lecturas de manómetro, es posible medir exactamente el funcionamiento del sistema de enfriamiento en un cierto tiempo. Cambios resultantes, de la acumulación de pequeñas partículas de polvo, pueden ser demasiado graduales para ser detectados, excepto a través de un manómetro. Las desviaciones del valor típico de la presión, el más alto o el más bajo, pueden señalar un problema en el sistema de enfriamiento. La disminución de la presión de la entrada o de la salida podría indicar un problema en el extractor o una acumulación del polvo y de la suciedad en las láminas del refrigerador. Un incremento de la presión, podría indicar suciedad en aletas y/o el extractor o de otra canalización. Cualquier condición es tema de inquietud. Los problemas de enfriamiento no mejoran con el tiempo; siempre son peores. Un fallo en el sistema de presión aire, puede ser la indicación de un inminente problema en el sistema de enfriamiento. Esta situación, puede ser causado, por un desgaste mecánico o una vibración del montaje, o puede señalar que la presión de aire del compartimiento ha caído. En tal caso, las lecturas del manómetro, nos indicará si el fallo, es causado por la falta de presión o de una disminución en la salida del sistema de aire.