Condutividade térmica do alumínio
O alumínio é um bom condutor de calor
O alumínio é o segundo metal mais usado depois do aço e está presente tanto na vida cotidiana quanto na indústria. Sua popularidade se deve, em parte, às suas excelentes propriedades físicas, incluindo a boa condutividade térmica. Neste artigo, apresentaremos uma visão geral clara e completa da condutividade térmica do alumínio, explorando o que ela é, o que a afeta e por que ela é importante em aplicações práticas.
Condutividade térmica do alumínio puro
A condutividade térmica (λ) é uma medida da capacidade de um material de conduzir calor, definida como a quantidade de energia térmica transferida através de uma unidade de espessura do material por unidade de área e por unidade de diferença de temperatura.
Para o alumínio puro em temperatura ambiente (20°C), a condutividade térmica é de aproximadamente 237 W/(m-K). À medida que a temperatura aumenta, a condutividade térmica do alumínio puro diminui ligeiramente; por exemplo, a 100°C, ela é de aproximadamente 230 W/(m-K).
Condutividade térmica das ligas de alumínio
A alta condutividade térmica do alumínio puro se deve principalmente ao movimento eficiente dos elétrons livres. Quando elementos de liga são adicionados, vários mecanismos reduzem a condutividade térmica:
Formação de soluções sólidas: Os átomos de soluto, como Cu, Mg e Zn, distorcem a estrutura da rede de alumínio, aumentando a dispersão de elétrons e, portanto, reduzindo a taxa de condução de calor.
Precipitação de segundas fases: A formação de partículas intermetálicas, como a fase θ (Al₂Cu) e Mg₂Si, impede ainda mais o fluxo de elétrons, resultando em um declínio adicional na condutividade.
Influência dos elementos de liga: Entre os elementos de liga comuns, seu impacto na redução da condutividade térmica geralmente segue esta ordem de eficácia: Cu > Zn > Mg > Si > Mn ≈ Fe.
Abaixo está uma tabela simplificada que mostra as ligas representativas, suas temperaturas e suas faixas típicas de condutividade térmica:
| Grau | Temperamento | Condutividade 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 |
Óxido de alumínio Condutividade térmica
Quando exposto ao ar, o alumínio forma naturalmente uma fina película de óxido em sua superfície, e muitos produtos de alumínio são tratados posteriormente por anodização para engrossar intencionalmente essa camada de óxido. O principal componente dessa película é o óxido de alumínio (Al₂O₃), que tem uma condutividade térmica muito menor - aproximadamente 30 W/(m-K) - em comparação com o alumínio puro.
A presença de uma camada de óxido reduz a condutividade térmica geral das superfícies de alumínio. No caso de camadas naturalmente oxidadas, a espessura normalmente é de apenas 2 a 5 μm, o que resulta em um impacto insignificante no desempenho da dissipação de calor. Entretanto, a anodização produz uma camada de óxido padrão com cerca de 15 μm de espessura, o que começa a diminuir sensivelmente a condutividade térmica. Filmes anodizados duros pode exceder 50 μm de espessura, diminuindo drasticamente a capacidade de transferência de calor.
Por esse motivo, os componentes de alumínio projetados principalmente para dissipação térmica, como dissipadores de calor-geralmente não são submetidos a tratamentos de anodização, de modo a manter a eficiência ideal de transferência de calor.
Capacidade térmica do alumínio
A capacidade térmica específica é uma quantidade física que mede a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de uma unidade de massa de uma substância em um grau Celsius (ou um Kelvin). Esse parâmetro desempenha um papel fundamental no comportamento do gerenciamento térmico de um material, influenciando a rapidez com que ele se aquece ou se resfria durante a operação. O alumínio puro é notável por sua capacidade térmica específica relativamente alta, que é de aproximadamente 0,900 kJ/(kg-K) em temperatura ambiente.
A tabela abaixo apresenta as capacidades térmicas específicas dos tipos comuns de ligas de alumínio, juntamente com as do cobre puro e do aço carbono, para comparação direta:
| Material / Grau | Capacidade térmica específica (kJ/(kg-K)) |
|---|---|
| Alumínio puro (1050) | 0.900 |
| Liga de alumínio 1060 | 0.895 |
| Liga de alumínio 1100 | 0.895 |
| Liga de alumínio 2024 | 0.875 |
| Liga de alumínio 3003 | 0.897 |
| Liga de alumínio 5052 | 0.883 |
| Liga de alumínio 6061 | 0.896 |
| Liga de alumínio 7075 | 0.870 |
| Cobre puro (C11000) | 0.385 |
| Aço carbono (AISI 1010) | 0.490 |
Coeficiente de expansão térmica do alumínio
O coeficiente de expansão térmica linear (CTE) do alumínio puro geralmente está na faixa de 23 a 24 × 10-⁶ /°C (ou /K). Isso significa que, para cada aumento de 1°C na temperatura, uma barra de alumínio de um metro se expandirá em aproximadamente 23 a 24 micrômetros. Embora as ligas de alumínio apresentem pequenas variações nos coeficientes de expansão térmica, essas diferenças geralmente são mínimas e não alteram significativamente seu comportamento de expansão.
Em contraste, a camada de óxido (principalmente alumina, Al₂O₃) formada nas superfícies de alumínio tem um coeficiente de expansão térmica que é apenas cerca de um terço do coeficiente do alumínio metálico. Essa incompatibilidade pode levar à rachadura da camada de óxido e à perda de sua função protetora sob alta ciclagem térmica, pois o alumínio subjacente se expande mais do que a camada de óxido pode acomodar.
O coeficiente de expansão térmica do alumínio é significativamente mais alto do que o do aço (cerca de 12 × 10-⁶ /°C) e do cobre (aproximadamente 16-17 × 10-⁶ /°C), o que faz com que esse seja um fator crítico a ser considerado em aplicações em que a estabilidade dimensional e a compatibilidade da junta com outros materiais são importantes.
Condutividade térmica de cobre VS alumínio
Tanto o alumínio quanto o cobre são amplamente utilizados em radiadores, tubos de ar condicionado e aplicações semelhantes de dissipação de calor. Embora o cobre ofereça maior condutividade térmica, o alumínio é mais comum devido ao seu custo mais baixo, menor densidade e processamento mais fácil.
| Propriedade | Alumínio puro (1050) | Cobre puro (C11000) |
|---|---|---|
| Condutividade térmica (20°C) | 237 W/(m-K) | 398 W/(m-K) |
| Densidade | 2,70 g/cm³ | 8,96 g/cm³ |
| Condutividade térmica por densidade | 87,8 W-cm³/(g-K) | 44,4 W-cm³/(g-K) |
Seleção de materiais para produtos de alumínio térmico
A escolha da liga de alumínio para aplicações termicamente condutoras depende dos requisitos específicos de desempenho de cada setor e tipo de produto. Abaixo está um resumo dos tipos de liga recomendados para aplicações comuns, incluindo seus principais atributos e observações adicionais:
| Área de aplicação | Principais requisitos de desempenho | Ligas recomendadas e notas |
|---|---|---|
| Dissipadores de calor | Alta condutividade térmica, conformabilidade | 1050, 1060, 1070, 6063 - O alumínio puro é frequentemente escolhido pela excelente condutividade e trabalhabilidade; o 6063 oferece um bom equilíbrio entre custo, resistência e conformabilidade para extrusão. |
| Folha de alumínio | Alta condutividade, ductilidade, laminação fina | 1100, 1235, 8011 - 1100 e 1235 são amplamente utilizados como tipos de folhas de alumínio puro. O 8011 oferece maior resistência e capacidade de processamento com condutividade ligeiramente inferior. |
| Utensílios de cozinha | Condutividade, resistência à corrosão, força, conformabilidade | 3003, 3004, 1100, 1050 - 3003/3004 são típicos para corpos de panelas e frigideiras; 1050/1100 são usados em camadas condutoras. Todas as ligas devem garantir a segurança alimentar e a resistência à corrosão. |
| AC & Heat Tubos de troca | Condutividade, resistência à corrosão, soldabilidade | 1050, 1070, 3103, 3003 - 1050/1070 (alta pureza, fácil de dobrar) são comuns em tubos de corrente alternada; as aletas do trocador de calor usam 3003/3103 para maior força e resistência à corrosão. |
| Gabinetes para equipamentos elétricos e eletrônicos | Gerenciamento térmico, blindagem, proteção mecânica, resistência à corrosão | 5052, 6061, 6063 - o 5052 oferece boa trabalhabilidade e resistência à corrosão, sendo amplamente utilizado para gabinetes; o 6061 e o 6063 oferecem maior resistência mecânica e podem ser facilmente extrudados ou usinados para projetos personalizados. |
Materiais de alumínio com isolamento térmico
Embora o alumínio em si tenha uma alta condutividade térmica, várias técnicas de engenharia são empregadas para reduzir significativamente a transferência de calor em aplicações em que o isolamento é necessário. Abaixo estão alguns métodos comumente usados, juntamente com os valores típicos de condutividade térmica para cada estrutura ou material:
Perfil de alumínio com ruptura térmica:
Amplamente utilizado em janelas, portas, e cortina paredes. Ao incorporar um material isolante, como a poliamida (condutividade térmica ≈ 0,3 W/(m-K)), entre dois perfis de alumínio, a condutividade térmica geral do sistema pode ser reduzida para aproximadamente 2-4 W/(m-K).
Favo de mel de alumínio Estruturas:
Compostos por finas películas de alumínio em torno de um núcleo alveolar, esses painéis utilizam ar aprisionado para reduzir a transferência de calor. A condutividade térmica efetiva geralmente varia de 2 a 10 W/(m-K), muito menor do que a do alumínio sólido.
Espuma de alumínio :
Esse material apresenta uma estrutura porosa preenchida com células de ar fechadas, resultando em uma condutividade térmica normalmente entre 1 e 10 W/(m-K), dependendo da densidade e da estrutura dos poros.
Compostos híbridos com materiais isolantes:
O alumínio é frequentemente laminado ou unido a outros materiais, como plásticos, borrachas, cerâmicas ou lã mineral, para formar painéis compostos com propriedades de isolamento altamente aprimoradas. Dependendo dos materiais usados, a condutividade térmica geral desses compostos pode variar de menos de 1 W/(m-K) (quando combinados com isolantes térmicos de alto desempenho) a vários W/(m-K).
Refletividade térmica do alumínio
Embora o alumínio seja bem conhecido por sua alta condutividade térmica, ele também serve como um material de isolamento eficaz devido à sua excepcional capacidade de refletir o calor radiante, principalmente a radiação infravermelha. A refletividade infravermelha do alumínio pode chegar a 90-95%, o que o torna altamente eficiente em refletir a energia térmica em vez de absorvê-la.
Em aplicações práticas, o isolamento térmico é normalmente obtido pela combinação de vários materiais com diferentes propriedades de isolamento. Dentro desses sistemas compostos, a folha de alumínio é comumente usada como barreira radiante. Ele reflete uma parte significativa da radiação térmica incidente para longe da superfície isolada, ajudando a minimizar a transferência de calor e a melhorar o desempenho geral do isolamento. Isso torna a folha de alumínio um componente essencial em envelopes de edifícios, dutos de HVAC e embalagens de produtos sensíveis à temperatura.
Relação de condutividade térmica e elétrica
Tanto a térmica quanto a condutividade elétrica no alumínio são regidos principalmente pelo movimento de elétrons livres. Esse mecanismo compartilhado sustenta a forte correlação observada entre essas duas propriedades em materiais metálicos.
- Condutividade térmica: Os elétrons livres transportam energia térmica, difundindo-se das regiões de maior temperatura para as de menor temperatura.
- Condutividade elétrica: Quando submetidos a um campo elétrico, os elétrons livres se movem na direção, gerando corrente elétrica.
A eficácia do transporte elétrico e de calor é aprimorada à medida que o caminho livre médio dos elétrons aumenta. Assim, materiais com alta condutividade elétrica, como o alumínio, também tendem a apresentar alta condutividade térmica.
Essa relação é descrita quantitativamente pelo Lei Wiedemann-Franz, que afirma que a razão entre a condutividade térmica (λ) e a condutividade elétrica (σ) é proporcional à temperatura absoluta (T):
Onde:
- λ = Condutividade térmica (W/(m-K))
- σ = Condutividade elétrica (S/m)
- L = constante de Lorenz (aproximadamente 2.44×10-8 W-Ω/K², para metais de elétrons livres)
- T = Temperatura absoluta (K)
