Conductancia de contacto térmico

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 de contacto térmico .$estilo de visualización h_{c}}$

Cuando dos cuerpos sólidos entran en contacto, como A y B en la Figura 1, el calor fluye desde el cuerpo más caliente al 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 térmico 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:

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

( 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.${\estilo de visualización q}$${\estilo de visualización k}$${\estilo de visualización A}$$Estilo de visualización 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:

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

( 2 )

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 de contacto térmico, , que, como se señaló anteriormente, es la inversa del coeficiente de conductancia térmica, .$estilo de visualización k_{A}}$$estilo de visualización kB$${\estilo de visualización A}$${\displaystyle 1/h_{c}}$$estilo de visualización h_{c}}$

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 de contacto térmico es significativa o no, se comparan las magnitudes de las resistencias térmicas de las capas con los valores típicos de la resistencia de contacto térmico. La resistencia de contacto térmico es significativa y puede predominar en el caso de buenos conductores de calor, como los metales, pero puede descuidarse en el caso de malos conductores de calor, como los aislantes. ^[2] La conductancia de contacto térmico es un factor importante en una variedad de aplicaciones, en gran medida porque muchos sistemas físicos contienen una combinación mecánica de dos materiales. Algunos de los campos en los que la conductancia de contacto es importante son: ^{[3] [4] [5]}

• Electrónica
  • Embalaje electrónico
  • Disipadores de calor
  • Soportes
• Industria
  • Refrigeración de reactores nucleares
  • Refrigeración de turbinas de gas
  • Motores de combustión interna
  • Intercambiadores de calor
  • Aislamiento térmico
  • Endurecimiento por presión de aceros para automoción
• Vuelo
  • Vehículos de vuelo hipersónico
  • Supervisión térmica de vehículos espaciales
• Ciencia de la construcción y la vivienda
  • Rendimiento de las envolventes de los edificios

La conductancia por contacto térmico es un fenómeno complejo, en el que influyen muchos factores. La experiencia demuestra que los más importantes son los siguientes:

En el caso del transporte térmico entre dos cuerpos en contacto, como partículas en un medio granular, la presión de contacto y el área de contacto real que surge de ella son los factores que más influyen en la conductancia de contacto general ^[6] . Según la rigidez de contacto normal de una interfaz , 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 menor). ^[7]

Dado que la presión de contacto es el factor más importante, la mayoría de los estudios, correlaciones y modelos matemáticos para la medición de la conductancia de contacto se realizan en función de este factor.

La resistencia de contacto térmico de ciertos tipos de materiales sándwich que se fabrican laminándolos a altas temperaturas a veces puede ignorarse porque la disminución de la conductividad térmica entre ellos es insignificante.

En realidad no existen superficies verdaderamente lisas, y las imperfecciones de la superficie son visibles bajo un microscopio . Como resultado, cuando dos cuerpos se presionan entre sí, el contacto solo se realiza en un número finito de puntos , separados por espacios relativamente grandes, como se puede mostrar en la figura 2. Dado que el área de contacto real se reduce, existe otra resistencia para el flujo de calor. 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 a través de la referencia al número de Knudsen , son las dos propiedades que rigen su influencia en la conductancia de contacto y el transporte térmico en materiales heterogéneos en general. ^[7]

En ausencia de materiales intersticiales, como en el vacío , la resistencia de contacto será mucho mayor, ya que el flujo a través de los puntos de contacto íntimos es dominante.

Se puede caracterizar una superficie que ha sufrido ciertas operaciones de acabado por tres propiedades principales: rugosidad, ondulación y dimensión fractal . Entre estas, la rugosidad y la fractalidad son las más importantes, con la rugosidad indicada a menudo en términos de un valor rms y la fractalidad de la superficie denotada 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 en lugar de electrones en el parche de contacto .${\estilo de visualización \sigma}$

Cuando 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 una deformación plástica, la resistencia de contacto disminuye, ya que la deformación hace que el área de contacto real aumente ^{[8] [9]}

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 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 determina experimentalmente, utilizando un aparato estándar. ^[10]${\estilo de visualización A}$

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. Desafortunadamente, no existe una base de datos centralizada de coeficientes de conductancia de contacto, una situación que a veces hace que las empresas utilicen datos obsoletos e irrelevantes, o que no tengan en cuenta en absoluto 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 la utiliza, se inició en 2006 .

Si bien una conductancia de contacto térmico finita se debe a los huecos en la interfaz, la ondulación de la superficie y la 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 vibracionales entre los materiales en contacto. Esta conductancia es generalmente mucho más alta que la conductancia de contacto térmico, pero se vuelve importante en sistemas de materiales a escala nanométrica.

• Transferencia de calor

• Proyecto CoCoE: software libre para estimar el TCC