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Resistencia a contacto térmico

La utilidad de la analogía entre el flujo de corriente eléctrica y el flujo de calor se manifiesta cuando se necesita una descripción satisfactoria de la transferencia de calor en la interfaz de dos medios conductores. Debido a las limitaciones del equipo, ninguna de las dos superficies sólidas forma un contacto perfecto cuando se las coloca juntas. Siempre existen diminutas separaciones de aire entre las superficies de contacto debido a las rugosidades.

A través de la interconexión entre las dos caras en contacto, existen dos modos de transferencia térmica. El primero es la conducción a través de puntos de contacto 'sólido a sólido' (Qconducción), el cual es muy efectivo. El segundo es la convección a través de las separaciones con contenido gaseoso (Qseparación) que, debido a su baja conductividad térmica, puede ser deficiente. Para tratar la resistencia a contacto térmico, se ubica una conductancia interfacial, hc, en serie con los medios conductores a ambos lados, según se muestra en la siguiente figura.

La conductancia hc es similar al coeficiente de transferencia de calor por convección y tiene las mismas unidades (W/m2 ºK). Si ΔT es la diferencia de temperatura a lo largo de una interfaz de área A, entonces la tasa de transferencia térmica Q viene dada por Q = A hc ΔT. Si se usa la analogía eléctrico-térmica, se puede expresar que Q = ΔT/Rt, donde Rt es la resistencia a contacto térmico y viene dada por Rt = 1/(A hc).

La conductancia interfacial, hc, depende de los siguientes factores:

  • El acabado de la superficie de las caras en contacto.
  • El material de cada cara.
  • La presión que hace que las superficies se junten.
  • La sustancia en las separaciones entre las dos caras en contacto.

La siguiente tabla muestra algunos valores típicos de la conductancia interfacial para acabados de superficie normales y presiones de contacto moderadas (1 a 10 atm). No se evacuan los separadores de aire a menos que se indique:

Resistencia térmica, RtérmicaX10-4 (m2.K/W)
 
Presión de contacto 100 kN/m2 10,000 kN/m2
Acero inoxidable 6-25 0.7-4.0
Cobre 1-10 0.1-0.5
Magnesio 1.5-3.5 0.2-0.4
Aluminio 1.5-5.0 0.2-0.4

La siguiente tabla enumera la resistencia al contacto térmico para interfaces metálicas en condiciones de vacío:

Caras en contacto Conductancia (hc) (W/m2 ºK)
Hierro/aluminio 45,000
Cobre/cobre 10,000 - 25,000
Aluminio/aluminio 2200 - 12000
Acero inoxidable/acero inoxidable 2000 - 3700
Acero inoxidable/acero inoxidable (separaciones evacuadas) 200 - 1100
Cerámica/cerámica 500 - 3000


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