Conductividad térmica del aluminio
El aluminio es un buen conductor del calor
El aluminio es el segundo metal más utilizado después del acero, y se encuentra tanto en la vida cotidiana como en la industria. Su popularidad se debe en parte a sus excelentes propiedades físicas, incluida una buena conductividad térmica. En este artículo, ofreceremos una visión clara y completa de la conductividad térmica del aluminio, explorando qué es, qué la afecta y por qué es importante en las aplicaciones prácticas.
Conductividad térmica del aluminio puro
La conductividad térmica (λ) es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor, definida como la cantidad de energía térmica transferida a través de una unidad de espesor del material por unidad de superficie y por unidad de diferencia de temperatura.
Para el aluminio puro a temperatura ambiente (20°C), la conductividad térmica es de aproximadamente 237 W/(m-K). A medida que aumenta la temperatura, la conductividad térmica del aluminio puro disminuye ligeramente; por ejemplo, a 100°C, es de aproximadamente 230 W/(m-K).
Conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
La elevada conductividad térmica del aluminio puro se debe principalmente al movimiento eficaz de los electrones libres. Cuando se añaden elementos de aleación, varios mecanismos reducen la conductividad térmica:
Formación de soluciones sólidas: Los átomos de soluto, como Cu, Mg y Zn, distorsionan la estructura reticular del aluminio, aumentando la dispersión de electrones y reduciendo así la velocidad de conducción del calor.
Precipitación de segundas fases: La formación de partículas intermetálicas como la fase θ (Al₂Cu) y Mg₂Si impide aún más el flujo de electrones, lo que provoca una disminución adicional de la conductividad.
Influencia de los elementos de aleación: Entre los elementos de aleación comunes, su impacto en la reducción de la conductividad térmica sigue generalmente este orden de eficacia: Cu > Zn > Mg > Si > Mn ≈ Fe.
A continuación se muestra una tabla simplificada con aleaciones representativas, sus temperaturas y sus rangos típicos de conductividad térmica:
| Grado | Temple | Conductividad térmica (W/(m-K)) |
|---|---|---|
| 1050 | O | 220-237 |
| 1060 | H12 | 220-235 |
| 1100 | O | 218-222 |
| 2014 | T6 | 150-160 |
| 2024 | T3/T4 | 140-150 |
| 3003 | H14 | 190-210 |
| 3004 | H34 | 160-180 |
| 5052 | H32 | 138-160 |
| 5083 | H112 | 125-145 |
| 5754 | O | 130-150 |
| 6061 | T6 | 150-170 |
| 6063 | T5 | 180-200 |
| 6082 | T6 | 140-160 |
| 7075 | T6 | 130-150 |
| 7050 | T74 | 140-155 |
Conductividad térmica del óxido de aluminio
Cuando se expone al aire, el aluminio forma de forma natural una fina película de óxido en su superficie, y muchos productos de aluminio se tratan posteriormente mediante anodización para engrosar intencionadamente esta capa de óxido. El componente principal de esta película es el óxido de aluminio (Al₂O₃), que tiene una conductividad térmica mucho menor -aproximadamente 30 W/(m-K)- que el aluminio puro.
La presencia de una capa de óxido reduce la conductividad térmica global de las superficies de aluminio. En el caso de las capas oxidadas de forma natural, el grosor suele ser de sólo 2-5 μm, lo que tiene un impacto insignificante en el rendimiento de la disipación térmica. Sin embargo, la anodización produce un capa de óxido estándar alrededor de 15 μm de espesor, lo que empieza a disminuir notablemente la conductividad térmica. Láminas anodizadas duras pueden superar los 50 μm de grosor, lo que disminuye drásticamente la capacidad de transferencia de calor.
Por esta razón, los componentes de aluminio diseñados principalmente para la disipación térmica -como disipadores de calor-generalmente no se someten a tratamientos de anodizado, a fin de mantener una eficacia óptima de transferencia de calor.
Capacidad térmica del aluminio
La capacidad calorífica específica es una magnitud física que mide la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius (o un Kelvin). Este parámetro desempeña un papel crucial en el comportamiento de la gestión térmica de un material, ya que influye en la rapidez con la que se calienta o enfría durante su funcionamiento. El aluminio puro destaca por su capacidad calorífica específica relativamente alta, que es de aproximadamente 0,900 kJ/(kg-K) a temperatura ambiente.
En la tabla siguiente se presentan las capacidades caloríficas específicas de los grados de aleación de aluminio más comunes junto con las del cobre puro y el acero al carbono para poder compararlas directamente:
| Material / Grado | Capacidad calorífica específica (kJ/(kg-K)) |
|---|---|
| Aluminio puro (1050) | 0.900 |
| Aleación de aluminio 1060 | 0.895 |
| Aleación de aluminio 1100 | 0.895 |
| Aleación de aluminio 2024 | 0.875 |
| Aleación de aluminio 3003 | 0.897 |
| Aleación de aluminio 5052 | 0.883 |
| Aleación de aluminio 6061 | 0.896 |
| Aleación de aluminio 7075 | 0.870 |
| Cobre puro (C11000) | 0.385 |
| Acero al carbono (AISI 1010) | 0.490 |
Coeficiente de dilatación térmica del aluminio
El coeficiente de dilatación térmica lineal (CTE) del aluminio puro suele situarse entre 23 y 24 × 10-⁶ /°C (o /K). Esto significa que por cada aumento de 1°C de temperatura, una barra de aluminio de un metro se dilatará aproximadamente entre 23 y 24 micrómetros. Aunque las aleaciones de aluminio presentan ligeras variaciones en los coeficientes de dilatación térmica, estas diferencias suelen ser mínimas y no alteran significativamente su comportamiento de dilatación.
En cambio, la capa de óxido (principalmente alúmina, Al₂O₃) que se forma en las superficies de aluminio tiene un coeficiente de dilatación térmica que es sólo un tercio del del aluminio metálico. Este desajuste puede hacer que la capa de óxido se agriete y pierda su función protectora en ciclos térmicos elevados, ya que el aluminio subyacente se dilata más de lo que la capa de óxido puede absorber.
El coeficiente de dilatación térmica del aluminio es significativamente superior al del acero (alrededor de 12 × 10-⁶ /°C) y el cobre (aproximadamente 16-17 × 10-⁶ /°C), lo que lo convierte en un factor crítico a tener en cuenta en aplicaciones en las que la estabilidad dimensional y la compatibilidad de las juntas con otros materiales son importantes.
Conductividad térmica del cobre frente al aluminio
Tanto el aluminio como el cobre se utilizan ampliamente en radiadores, tubos de aire acondicionado y aplicaciones similares de disipación de calor. Aunque el cobre ofrece una mayor conductividad térmica, el aluminio es más frecuente debido a su menor coste, menor densidad y mayor facilidad de procesamiento.
| Propiedad | Aluminio puro (1050) | Cobre puro (C11000) |
|---|---|---|
| Conductividad térmica (20°C) | 237 W/(m-K) | 398 W/(m-K) |
| Densidad | 2,70 g/cm³ | 8,96 g/cm³ |
| Conductividad térmica por densidad | 87,8 W-cm³/(g-K) | 44,4 W-cm³/(g-K) |
Selección de materiales para productos de aluminio térmico
La elección de la aleación de aluminio para aplicaciones conductoras térmicas depende de los requisitos específicos de rendimiento de cada industria y tipo de producto. A continuación se ofrece un resumen de los grados de aleación recomendados para aplicaciones comunes, incluidos sus atributos principales y notas adicionales:
| Área de aplicación | Requisitos clave de rendimiento | Aleaciones recomendadas y notas |
|---|---|---|
| Disipadores de calor | Alta conductividad térmica, conformabilidad | 1050, 1060, 1070, 6063 - El aluminio puro se elige a menudo por su excelente conductividad y trabajabilidad; el 6063 ofrece un buen equilibrio entre coste, resistencia y conformabilidad para extrusión. |
| Papel de aluminio | Alta conductividad, ductilidad, laminado fino | 1100, 1235, 8011 - 1100 y 1235 se utilizan ampliamente como grados de papel de aluminio puro. El 8011 ofrece mayor resistencia y procesabilidad con una conductividad ligeramente inferior. |
| Batería de cocina | Conductividad, resistencia a la corrosión, solidez, conformabilidad | 3003, 3004, 1100, 1050 - 3003/3004 son típicas para cuerpos de ollas y sartenes; 1050/1100 se utilizan en capas conductoras. Todas las aleaciones deben garantizar la seguridad alimentaria y la resistencia a la corrosión. |
| Aire acondicionado y calefacción Tubos de intercambio | Conductividad, resistencia a la corrosión, soldabilidad | 1050, 1070, 3103, 3003 - 1050/1070 (alta pureza, fácil de doblar) son habituales en los tubos de CA; las aletas de los intercambiadores de calor utilizan 3003/3103 para mejorar la solidez y la resistencia a la corrosión. |
| Recintos para equipos eléctricos y electrónicos | Gestión térmica, blindaje, protección mecánica, resistencia a la corrosión | 5052, 6061, 6063 - El 5052 proporciona una buena trabajabilidad y resistencia a la corrosión, muy utilizado para cerramientos; el 6061 y el 6063 ofrecen una mayor resistencia mecánica y pueden extruirse o mecanizarse fácilmente para diseños personalizados. |
Materiales de aluminio térmicamente aislantes
Aunque el aluminio en sí tiene una alta conductividad térmica, se emplean diversas técnicas de ingeniería para reducir significativamente la transferencia de calor en aplicaciones que requieren aislamiento. A continuación se indican algunos métodos utilizados habitualmente, junto con los valores típicos de conductividad térmica para cada estructura o material:
Perfil de aluminio con rotura de puente térmico:
Muy utilizado en windows, puertasy cortina paredes. Al incorporar un material aislante, como la poliamida (conductividad térmica ≈ 0,3 W/(m-K)), entre dos perfiles de aluminio, la conductividad térmica global del sistema puede reducirse a aproximadamente 2-4 W/(m-K).
Panal de aluminio Estructuras:
Compuestos por finas pieles de aluminio que rodean un núcleo de nido de abeja, estos paneles utilizan el aire atrapado para reducir la transferencia de calor. La conductividad térmica efectiva suele oscilar entre 2 y 10 W/(m-K), muy inferior a la del aluminio macizo.
Aluminio espumado :
Este material presenta una estructura porosa llena de celdas de aire cerradas, lo que se traduce en una conductividad térmica que suele oscilar entre 1 y 10 W/(m-K), en función de la densidad y la estructura de los poros.
Compuestos híbridos con materiales aislantes:
A menudo, el aluminio se lamina o une con otros materiales, como plásticos, cauchos, cerámica o lana mineral, para formar paneles compuestos con propiedades aislantes muy mejoradas. En función de los materiales utilizados, la conductividad térmica global de estos compuestos puede oscilar entre menos de 1 W/(m-K) (cuando se combinan con aislantes térmicos de alto rendimiento) y varios W/(m-K).
Reflectividad térmica del aluminio
Aunque el aluminio es bien conocido por su alta conductividad térmica, también sirve como material aislante eficaz debido a su excepcional capacidad para reflejar el calor radiante, en particular la radiación infrarroja. La reflectividad infrarroja del aluminio puede alcanzar los 90-95%, lo que lo hace muy eficiente a la hora de reflejar la energía térmica en lugar de absorberla.
En aplicaciones prácticas, el aislamiento térmico se consigue normalmente combinando varios materiales con diferentes propiedades aislantes. En estos sistemas compuestos, el papel de aluminio suele utilizarse como barrera radiante. Refleja una parte significativa de la radiación térmica incidente lejos de la superficie aislada, ayudando a minimizar la transferencia de calor y a mejorar el rendimiento general del aislamiento. Por ello, el papel de aluminio es un componente esencial en los cerramientos de edificios, los conductos de calefacción, ventilación y aire acondicionado y los embalajes de productos sensibles a la temperatura.
Relación entre conductividad térmica y eléctrica
Tanto la térmica como la conductividad eléctrica en el aluminio se rigen principalmente por el movimiento de electrones libres. Este mecanismo compartido sustenta la fuerte correlación observada entre estas dos propiedades en los materiales metálicos.
- Conductividad térmica: Los electrones libres transportan energía térmica, difundiéndose de las regiones de mayor temperatura a las de menor temperatura.
- Conductividad eléctrica: Cuando están sometidos a un campo eléctrico, los electrones libres se mueven direccionalmente, generando corriente eléctrica.
La eficacia del transporte tanto térmico como eléctrico aumenta a medida que aumenta el recorrido libre medio de los electrones. Así, los materiales con una conductividad eléctrica elevada, como el aluminio, también suelen presentar una conductividad térmica elevada.
Esta relación se describe cuantitativamente mediante la Ley Wiedemann-Franzque establece que la relación entre la conductividad térmica (λ) y la conductividad eléctrica (σ) es proporcional a la temperatura absoluta (T):
Dónde:
- λ = Conductividad térmica (W/(m-K))
- σ = Conductividad eléctrica (S/m)
- L = constante de Lorenz (aproximadamente 2.44×10-8 W-Ω/K², para metales de electrones libres).
- T = Temperatura absoluta (K)
