Conductancia de contacto térmico - Thermal contact conductance

En física , la conductancia de contacto térmico es el estudio de la conducción de calor entre cuerpos sólidos en contacto térmico . El coeficiente de contacto conductancia térmica , , 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 de contacto térmico . ${\ Displaystyle h_ {c}}$

Definición

Fig. 1: Flujo de calor entre dos sólidos en contacto y distribución de temperatura.

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 al contacto térmico que existe entre las superficies en contacto. La resistencia al contacto térmico se define como la relación entre esta caída de temperatura y el flujo de calor promedio a través de la interfaz.

Según la ley de Fourier , el flujo de calor entre los cuerpos se encuentra mediante la relación:

${\ Displaystyle q = -kA {\ frac {dT} {dx}}}$

( 1 )

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. ${\ Displaystyle q}$${\ Displaystyle k}$${\ Displaystyle A}$${\ Displaystyle dT / dx}$

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:

${\ Displaystyle q = {\ frac {T_ {1} -T_ {3}} {\ Delta x_ {A} / (k_ {A} A) + 1 / (h_ {c} A) + \ Delta x_ {B } / (k_ {B} A)}}}$

( 2 )

Uno puede observar que el flujo de calor está directamente relacionada 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, . ${\ Displaystyle k_ {A}}$${\ Displaystyle k_ {B}}$${\ Displaystyle A}$${\ Displaystyle 1 / h_ {c}}$${\ Displaystyle h_ {c}}$

Importancia

La mayoría de los valores determinados experimentalmente de la resistencia de contacto térmico se encuentran 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 al contacto térmico es significativa o no, se comparan las magnitudes de las resistencias térmicas de las capas con los valores típicos de la resistencia al contacto térmico. La resistencia al contacto térmico es significativa y puede dominar los buenos conductores de calor, como los metales, pero puede despreciarse para los malos conductores de calor, como los aislantes. La conductancia de 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:

• Electrónica
  • Embalaje electrónico
  • Disipadores de calor
  • Soportes
• Industria
  • Refrigeración del reactor nuclear
  • Turbina de gas de enfriamiento
  • Motores de combustión interna
  • Intercambiadores de calor
  • Aislamiento térmico
• Vuelo
  • Vehículos de vuelo hipersónicos
  • Supervisión térmica para vehículos espaciales
• Ciencias residenciales / de la construcción
  • Rendimiento de las envolventes de edificios

Factores que influyen en la conductancia de contacto

Fig. 2: Ampliación de la interfaz entre dos superficies de contacto. La calidad del acabado se exagera por el bien del argumento.

La conductancia de contacto térmico es un fenómeno complicado, influenciado por muchos factores. La experiencia demuestra que los más importantes son los siguientes:

Presión de contacto

Para el transporte térmico entre dos cuerpos en contacto, como las partículas en un medio granular, la presión de contacto es el factor de mayor influencia en la conductancia de contacto general. 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 reduce).

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 al contacto térmico de ciertos tipos de materiales tipo sándwich que se fabrican mediante laminación a altas temperaturas a veces puede ignorarse porque la disminución de la conductividad térmica entre ellos es insignificante.

Materiales intersticiales

Realmente no existen superficies realmente lisas y las imperfecciones de la superficie son visibles bajo un microscopio . Como resultado, cuando dos cuerpos se presionan juntos, el contacto solo 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, otra resistencia para el flujo de calor existe. Los gases / fluidos que llenan estos huecos 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.

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.

Rugosidad, ondulación y planitud de la superficie

Se puede caracterizar una superficie que ha sufrido ciertas operaciones de acabado por tres propiedades principales de: rugosidad, ondulación y dimensión fractal . Entre estos, la rugosidad y la fractalidad son las de mayor importancia, con la rugosidad a menudo indicada en términos de un valor rms , y la fractalidad de la superficie se denota generalmente por D _f . El efecto de las estructuras de la superficie 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 por parche de contacto en lugar de electrones. ${\ Displaystyle \ sigma}$

Deformaciones superficiales

Cuando los dos cuerpos entran en contacto, la deformación de la superficie puede ocurrir en ambos cuerpos. Esta deformación puede ser plástica o elástica , según las propiedades del material y la presión de contacto. Cuando una superficie sufre una deformación plástica, la resistencia de contacto disminuye, ya que la deformación hace que aumente el área de contacto real.

Limpieza de la superficie

La presencia de partículas de polvo , ácidos , etc., también puede influir en la conductancia de contacto.

Medida de la conductancia por contacto térmico.

Volviendo a la Fórmula 2, el cálculo de la conductancia de contacto térmico 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, usando un aparato estándar. ${\ Displaystyle A}$

Los resultados de tales experimentos suelen publicarse en la literatura de ingeniería , en revistas como Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer , etc. Lamentablemente, no existe una base de datos centralizada de coeficientes de conductancia de contacto, situación que a veces provoca que las empresas utilizar datos obsoletos e irrelevantes, o no tener en cuenta la conductancia de contacto.

CoCoE (Contact Conductance Estimator), 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 lo utiliza, se inició en 2006 .

Conductancia de límite térmico

Si bien una conductancia de contacto térmico finita se debe a vacíos en la interfaz, ondulaciones de la superficie y rugosidad de la superficie, etc., existe una conductancia finita incluso en las interfaces casi ideales. Esta conductancia, conocida como conductancia de límite térmico , se debe a las diferencias en las propiedades vibratorias y electrónicas entre los materiales en contacto. Esta conductancia es generalmente mucho más alta que la conductancia de contacto térmico, pero se vuelve importante en los sistemas de materiales a nanoescala.

Ver también

• Transferencia de calor

Referencias

enlaces externos

• Proyecto CoCoE : software gratuito para estimar el TCC