Propiedades térmicas de los materiales

El conocimiento de las propiedades térmicas de los materiales utilizados en edificaciones, constituyen un factor importantísimo para de antemano conocer su desempeño térmico mediante cálculos de transferencia de calor que ayudan a gestionar mejor los flujos de calor y, posteriormente lograr temperaturas interiores confortables. Si a ello le sumamos el aprovechamiento energético pasivo con energía solar un diseño bioclimático acorde con la climatología de la zona, las condiciones de comodidad térmica se acrecentaran y la dependencia de equipos u objetos de calefacción y/o refrigeración disminuirán.

Antiguamente las personas construían sus viviendas o refugios de acuerdo a la disponibilidad de materiales locales brindados por la naturaleza, entre ellos, tierra, madera, piedras, y aislantes naturales como paja o lana de oveja para protegerse del clima. El diseño lo realizaban a criterio según la convivencia con su entorno ambiental conociendo la puesta y ocaso del sol, el movimiento de los vientos, y las temporadas de invierno y verano, además, del criterio en el uso de los materiales para construir sus viviendas tanto en techos y paredes que bastaban para lograr su comodidad y habitabilidad donde de por medio estaban involucrados las propiedades térmicas de los materiales.

La decisión de usar un determinado material tendrá un impacto en el desempeño térmico y energético en las edificaciones o viviendas, no todos los materiales son iguales ni tienen las mismas propiedades, asimismo, no todos los materiales tienen el mismo comportamiento ante diferentes condiciones climáticas. Conociendo con detalle las características térmicas de los materiales empleados en la construcción de viviendas garantiza tomar decisiones adecuadas en su diseño.

Las propiedades térmicas nos indican cual es el comportamiento o reacción de los materiales cuando son sometido a fluctuaciones térmicas (exceso o deficiencia de calor). Para el diseño bioclimático es necesario y obligatorio el conocimiento de dichas propiedades las cuales describiremos a continuación.

Capacidad calorífica (C)

La energía externa necesaria para aumentar la temperatura de una masa sólida se conoce como la capacidad calorífica de los materiales. Se define como la habilidad de los materiales para absorber calor y cambiar su temperatura en un grado (°C o K).

Donde dQ es la energía necesaria para producir un cambio dT en la temperatura. Tiene unidades como J/mol-K o Cal/mol-K. La capacidad calorífica no es una propiedad intrínseca, es decir, cambia con el volumen/masa del material.

Calor específico (c)
Si dividimos la capacidad calorífica de un objeto por su masa, obtenemos una cantidad conocida como el calor específico del objeto. El calor específico no depende del tamaño o la forma de un objeto, sino sólo del material del que se fabrica. El agua tiene un calor específico grande de 1caloría por gramo por grado Celsius o 4,186 julios por kilogramo grado Celsius. El hielo flota porque el volumen de agua aumenta cuando se congela. Esto está conectado con el cambio en el calor específico del agua cerca de 0°C.

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius y esta representado por:

La unidad del calor específico en el sistema internacional es J/kg°C.

Fuente: https://diccionario.motorgiga.com/calor-especifico

Conductividad térmica (k)
Es la capacidad o habilidad de un material para transferir el calor.Si hay un gradiente de temperatura, el calor fluirá desde la región de temperatura más alta a más baja. Esta es la conducción térmica.

El coeficiente de conductividad térmica, k [W/(m·K)], es una medida de la velocidad q(W) a la cual el calor fluye a través de un material. Es el coeficiente de transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura en estado estacionario (T2 - T1) a lo largo de una distancia (x2 - x1), o:

Fuente:https://es.khanacademy.org

Expansión térmica
Es la expansión de los materiales cuando se calientan. La mayoría de los materiales se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura en un material sólido puede expresarse de la siguiente manera:

Donde ∆L es el cambio de longitud debido a un aumento en la temperatura ∆T. 𝛂l es el coeficiente lineal de expansión térmica.

Fuente:https://yulitiqueesquivel.wordpress.com

Esfuerzo térmico (𝛔)
Los esfuerzos debidos a cambios de temperatura o debido al gradiente de temperatura se denominan tensiones térmicas. Si sujetamos rígidamente los extremos de una varilla para evitar su expansión o contracción y luego variamos la temperatura, aparecerán esfuerzos de tensión o comprensión llamados esfuerzos térmicos.

Donde 𝛂 es el coeficiente lineal de expansión térmica y E es el módulo de elasticidad.