En física , la conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos o líquidos en contacto térmico . El coeficiente de conductancia de contacto térmico , es una propiedad que indica la conductividad térmica , o capacidad de conducir calor , entre dos cuerpos en contacto. La inversa de esta propiedad se denomina resistencia térmica de contacto .
Cuando dos cuerpos sólidos entran en contacto, como A y B en la Figura 1, el calor fluye del cuerpo más caliente al cuerpo más frío. Según la experiencia, el perfil de temperatura a lo largo de los dos cuerpos varía, aproximadamente, como se muestra en la figura. Se observa una caída de temperatura en la interfaz entre las dos superficies en contacto. Se dice que este fenómeno es el resultado de una resistencia de contacto térmica existente entre las superficies en contacto. La resistencia de contacto térmico se define como la relación entre esta caída de temperatura y el flujo de calor promedio a través de la interfaz. [1]
Según la ley de Fourier , el flujo de calor entre los cuerpos se encuentra mediante la relación:
donde es el flujo de calor, es la conductividad térmica, es el área de la sección transversal y es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo.
A partir de consideraciones de conservación de energía , el flujo de calor entre los dos cuerpos en contacto, los cuerpos A y B, se encuentra como:
Se puede observar que el flujo de calor está directamente relacionado con las conductividades térmicas de los cuerpos en contacto, y , el área de contacto , y la resistencia térmica de contacto, que, como se señaló anteriormente, es la inversa del coeficiente de conductancia térmica ,.
La mayoría de los valores determinados experimentalmente de la resistencia de contacto térmico caen entre 0,000005 y 0,0005 m 2 K/W (el rango correspondiente de conductancia de contacto térmico es de 200.000 a 2000 W/m 2 K). Para saber si la resistencia térmica de contacto es significativa o no, se comparan las magnitudes de las resistencias térmicas de las capas con valores típicos de resistencia térmica de contacto. La resistencia al contacto térmico es significativa y puede predominar en el caso de buenos conductores del calor, como los metales, pero puede despreciarse en el caso de malos conductores del calor, como los aisladores. [2] La conductancia del contacto térmico es un factor importante en una variedad de aplicaciones, en gran parte porque muchos sistemas físicos contienen una combinación mecánica de dos materiales. Algunos de los campos donde la conductancia de contacto es importante son: [3] [4] [5]
La conductancia del contacto térmico es un fenómeno complicado, influenciado por muchos factores. La experiencia demuestra que los más importantes son los siguientes:
Para el transporte térmico entre dos cuerpos en contacto, como partículas en un medio granular, la presión de contacto es el factor que más influye en la conductancia general del contacto. A medida que aumenta la presión de contacto, aumenta el área de contacto real y aumenta la conductancia de contacto (la resistencia de contacto se vuelve más pequeña). [6]
Dado que la presión de contacto es el factor más importante, la mayoría de los estudios, correlaciones y modelos matemáticos para medir la conductancia de contacto se realizan en función de este factor.
La resistencia de contacto térmico de ciertos tipos de materiales tipo sándwich que se fabrican laminando a altas temperaturas a veces puede ignorarse porque la disminución de la conductividad térmica entre ellos es insignificante.
Realmente no existen superficies verdaderamente lisas y las imperfecciones de las superficies son visibles al microscopio . Como resultado, cuando dos cuerpos se presionan entre sí, el contacto sólo se realiza en un número finito de puntos , separados por espacios relativamente grandes, como se puede mostrar en la Fig. 2. Dado que el área de contacto real se reduce, se requiere otra resistencia para el flujo de calor. existe. Los gases / fluidos que llenan estos espacios pueden influir en gran medida en el flujo de calor total a través de la interfaz. La conductividad térmica del material intersticial y su presión, examinadas mediante referencia al número de Knudsen , son las dos propiedades que gobiernan su influencia sobre la conductancia de contacto y el transporte térmico en materiales heterogéneos en general. [6]
En ausencia de materiales intersticiales, como en el vacío , la resistencia de contacto será mucho mayor, ya que predomina el flujo a través de los puntos de contacto íntimos.
Se puede caracterizar una superficie que ha sido sometida a determinadas operaciones de acabado por tres propiedades principales: rugosidad, ondulación y dimensión fractal . Entre estos, la rugosidad y la fractalidad son las más importantes; la rugosidad a menudo se indica en términos de valor eficaz y la fractalidad de la superficie se indica generalmente como D f . El efecto de las estructuras superficiales sobre la conductividad térmica en las interfaces es análogo al concepto de resistencia de contacto eléctrico , también conocido como ECR , que implica el transporte restringido de fonones en lugar de electrones en la zona de contacto .
Cuando los dos cuerpos entran en contacto, puede producirse una deformación superficial en ambos cuerpos. Esta deformación puede ser plástica o elástica , dependiendo de las propiedades del material y de la presión de contacto. Cuando una superficie sufre deformación plástica, la resistencia de contacto disminuye, ya que la deformación hace que el área de contacto real aumente [7] [8]
La presencia de partículas de polvo , ácidos , etc., también puede influir en la conductancia de contacto.
Volviendo a la Fórmula 2, el cálculo de la conductancia térmica del contacto puede resultar difícil, incluso imposible, debido a la dificultad de medir el área de contacto (un producto de las características de la superficie, como se explicó anteriormente). Debido a esto, la conductancia/resistencia de contacto generalmente se encuentra experimentalmente, utilizando un aparato estándar. [9]
Los resultados de este tipo de experimentos suelen publicarse en literatura de ingeniería , en revistas como Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer , etc. Desafortunadamente, no existe una base de datos centralizada de coeficientes de conductancia de contacto, situación que a veces provoca que las empresas utilizar datos obsoletos, irrelevantes o no tener en cuenta la conductancia de contacto en absoluto.
En 2006 se inició CoCoE (Estimador de conductancia de contacto), un proyecto fundado para resolver este problema y crear una base de datos centralizada de datos de conductancia de contacto y un programa informático que la utilice .
Si bien una conductancia de contacto térmico finita se debe a huecos en la interfaz, ondulación y rugosidad de la superficie, etc., también existe una conductancia finita incluso en interfaces casi ideales. Esta conductancia, conocida como conductancia de límite térmico , se debe a las diferencias en las propiedades electrónicas y vibratorias entre los materiales en contacto. Esta conductancia es generalmente mucho mayor que la conductancia de contacto térmico, pero adquiere importancia en sistemas de materiales a nanoescala.
