RESISTIVIDAD TERMICA – Geotecnia y Mecanica de Suelos

RESISTIVIDAD O RESISTENCIA TERMICA

Definición: ¿Que es la Resistividad o Resistencia termica al calor?

La resistividad termica es conocida como aquella propiedad del calor que permite medir de la diferencia de temperatura por la cual un objeto o material resiste un flujo de calor.

En otras palabras, la resistencia termica es la capacidad de un material para oponerse al flujo de calor. En el caso de materiales homogéneos, es la relación entre el espesor del material y su conductividad termica; en cambio en los materiales no homogéneos la resistividad termica viene siendo la inversa de la conductividad, que se obtiene de la media ponderada de los coeficientes de conductividad de cada uno de los elementos que la conforman.

Simbolo: R

Calculo:

Materiales homogéneos: R = e/ λ

Siendo,

e: el espesor de la capa de material, m.

λ: la conductividad termica del material, W / (K·m)

Materiales heterogéneos: R = 1/C

Siendo:

C: la conductancia termica, W / (K·m²)

Tomando en cuenta que existe una analogía entre la difusión de calor y la carga eléctrica, los ingenieros suelen utilizar la resistividad termica (es decir, la resistividad termica contra la conducción de calor) para calcular la transferencia de calor a través de los materiales.

De la misma manera que una resistencia eléctrica se asocia con la conducción de electricidad, una resistencia termica se puede asociar con la conducción de calor.

Por otro lado, teniendo en cuenta que el concepto de resistividad o resistencia termica se puede utilizar en una variedad de ramas de la ingeniería, se considera importante definir:

Resistencia termica absoluta, R t, que tiene unidades de [K / W]. La resistencia termica absoluta es una propiedad de un componente en particular, que tiene una geometría definida (espesor – L, área – A y forma). En el caso, de un intercambiador de calor definido se necesitaría tan solo un diferencia de temperatura para resolver el calor transferido.
Resistencia termica específica o resistividad termica específica, R λ, que tiene unidades de [(K • m) / W]. La termica específica es un material constante. Se requiere un espesor de material y una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido.
Valor R. El valor R (factor de aislamiento térmico) está referido a la medida de resistencia termica. Cuanto mayor sea el valor R, mayor será la eficacia aislante. El aislamiento térmico tiene las unidades [(m ².K) / W] en unidades SI o [(ft ² ° F · hr) / Btu] en unidades imperiales. A su vez es la resistencia termica correspondiente a la unidad de área de un material. El valor R depende del tipo de aislamiento, su espesor y su densidad. Para resolver el calor transferido se requiere de un área y una diferencia de temperatura.

Por último es importante señalar que de la misma manera como el calor por conducción tiene sus resistencias termicas, también la convección tiene una resistividad termica específica representada por:

En donde:

h: es el coeficiente de convección (W/ m ²^.^°C)

A: Área perpendicular al flujo de calor (m ^2).

Adicionalmente podrás encontrar muchísima información de ejercicios resueltos, libros y videos de: Geotecnia y mecanica de suelos.

¡Que aprendas y disfrutes de este contenido, saludos!

¿Que es la Resistividad?

Hace referencia a un punto en específico del material. En tal sentido lo que se busca definir es la densidad de corriente en el material resistivo causado por el campo eléctrico en el punto. Por lo que todos los materiales cuentan con una resistividad característica a temperatura ambiente. También, para para facilitar las mediciones, se consideran materiales isotrópicos, es decir, que tienen las mismas propiedades eléctricas en cualquier dirección. De acuerdo a lo expresado podemos definir la siguiente fórmula:

ρ=E/J

La fórmula representa la resistividad con la letra griega «Rho» (ρ), e n el numerador tenemos el campo eléctrico E, y en el denominador de la densidad de corriente J. Esta fórmula tiende a ser muy parecida a la ley de ohm, solo que en lugar de voltaje se usa campo eléctrico y en lugar de corriente es la densidad de corriente, y en lugar de resistencia es resistividad.

La resistividad, ρ, es una constante material. Por lo tanto, al mayor ser la resistividad en el material de la resistencia, mayor será su resistencia. La conexión queda expresada como:

En donde:
R = resistencia
l = longitud del conductor
A = área del conductor.

Siendo importante señalar que dependiendo de las unidades en las que expresemos: l y A obtenemos diferentes unidades de ρ. Una forma común es expresar l en m (éter) y A en mm ² ρ y luego obtiene la unidad Ωmm ² / m.

Si por el contrario elegimos l en m y A en m ², la unidad para ρ será Ω x mm ² / m, que por lo general se transforma en Ωm. Esa unidad se usa frecuentemente para materiales no metálicos. Si conocemos el valor de ρ expresado en Ωmm ² / m, ese valor debe multiplicarse por el factor 10 ^-6 para obtener el valor en Ωm. Por tanto, 10 ^-6 x Ω × mm ² / m = 1 Ωm.

Por otro lado, se puede decir que la resistividad termica es una propiedad básica de los materiales que cuantifica la oposición del material al flujo de corriente. Estando directamente vinculada con las vibraciones de las partículas internas, la composición atómica, y otras variables microscópicas. Cuando se eleva la temperatura de un material los átomos una mayor cantidad de energía interna (energía cinética), lo que tiende a producir una mayor probabilidad de choques entre ellas; lo que se conoce como un aumento de resistividad.

Algunos valores de resistividad a temperatura ambiente se muestran en la siguiente tabla:
Material	Resistividad ρ (Ω•m)
Plata	1.62×10^-8
Cobre	1.69×10^-8
Oro	2.35×10^-8
Aluminio	2.75×10^-8
Tungsteno	5.25×10^-8
Hierro	9.68×10^-8
Platino	10.6×10^-8

Diferencia entre conductividad y resistividad

	Diferencia entre conductividad y resistividad térmica
	Conductividad Térmica	Resistividad Térmica
Definición	Propiedades físicas de los materiales que mide su capacidad de conducción de calor. Es decir, mide como es de fácil el pase de calor atreves de ellos.	Propiedad física de los materiales que mide sus capacidad de oponerse a un flujo de calor.
Concepto
Anotación	λ	R
Unidadaes (SIU)	W/(K.m)	m 2 .K) / W
Formula
Utilidad	Permite comparar de forma rápida el comportamiento técnico de los materiales.	Es útil para poder comparar los materiales aislantes con diferente espesor y diferente conectividad.
Observaciones	* Cuanto menor es su valor mejor es su comportamiento como aislante debió a que es menos conductor. * Es una magnitud intensiva y su magnitud inversa es la resistividad térmica,	Cuanto mayor es el valor, mejor es su comportamiento como aislante térmico, al ofrecer más resistencia.

TABLA DE RESISTIVIDAD TERMICA ESPECIFICA DE LOS MATERIALES

La resistividad no es un valor que se mantenga constante con la variación de temperatura. La resistencia termica específica de los metales aumenta con el aumento de temperatura, a diferencia de los semiconductores donde este valor disminuye.

Tabla de resistividad o valores de resistencia específica de varios materiales a 23 ° C

UNIDADES DE RESISTENCIA O RESISTIVIDAD TERMICA

La resistividad termica es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. La medida de la resistencia termica se expresa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) en W / m². K al cuadrado y Kelvin por vatio). Se considera material aislante térmico cuando su coeficiente de conductividad térmica: λ es menor que λ <0,10 W / m² • K medido a 23 ° C. Todos los materiales resisten, en mayor o menor medida, el paso del calor a través de ellos. Algunos son muy raros, como los metales, por lo que se dice que son buenos conductores; Los materiales de construcción (yesos, ladrillos, morteros) tienen una resistencia media. Aquellos materiales que ofrecen una alta resistencia se denominan aislantes térmicos específicos o, más simplemente, aislantes térmicos. Ejemplos de estos aislantes térmicos específicos pueden ser lana mineral como lana de roca, fibra cerámica o fibra de vidrio.

Calculo y Formula de la resistencia térmica

Para el cálculo de la resistencia termica se utiliza una fórmula con algunos valores para obtener el resultado final donde, el valor R indica la capacidad de aislamiento térmico de una capa de material, se suele utilizar como valor aislante para doble acristalamiento, paredes , pisos y techos. El valor R es la resistencia al calor de una capa de material y viene expresado en m 2 K / W. Cuanto mayor es R, mayor es la resistencia experimentada por el paso del calor y mejor aislará el material.

El cálculo del valor R depende de los materiales que se encuentran en la estructura en cuestión. Por otro lado, el espesor del material (en metros) es dividido por el valor λ (el coeficiente de conducción termica). Cuanto mayor sea el valor, mejor será el aislamiento, una capa dos veces más gruesa tendrá el doble de resistencia termica.

La fórmula es: R = e / λ

Dónde:

R= resistencia térmica en m 2 K/W

e= espesor del material en m.

λ = coeficiente de conducción térmica en W / mK

Ejemplo: Un material aislante con un espesor de 8 cm (= 0,08 m) y un valor λ de 0,024 da un valor R de 3,33 m 2 K / W (0,08 / 0,024).

En construcción, el valor R es una medida que da a conocer cómo resiste al flujo conductor de calor una barrera superficial, como una capa de aislamiento, un muro, una ventana o una cubierta una barrera de superficie, como una capa de aislamiento, una pared, una ventana o un techo, resiste el flujo conductor de calor. Por lo tanto, los valores R miden la resistencia termica por unidad del área expuesta de una barrera.

ANALISIS DE RESISTIVIDAD TERMICA.

La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, de igual modo es conocida como la resistencia específica del terreno. En su proceso de medición, se promedian los efectos de las distintas capas que conforman el terreno bajo estudio ya que no tienden a ser uniformes en relación a su composición. Obteniéndose así lo que se define como ”Resistencia Aparente”

La resistividad termica es una propiedad intrínseca del suelo (y cualquier otra sustancia) relacionada con su capacidad para oponerse al flujo de calor. Donde se puede decir que la resistividad termica de los suelos dependerá principalmente de la granulometría, el peso volumétrico seco y el contenido de agua. Las pruebas para analizar la resistividad de suelos se pueden realizar en el sitio, o de muestras que se recolectan en el campo y se analizan en un laboratorio. Ambas pruebas se realizan utilizando el método de calor transitorio y se llevan a cabo de acuerdo con el estándar IEEE 442-1996 y el método de prueba estándar ASTM D5334-08 para la determinación de la conductividad termica de suelos y rocas blandas.

Cabe mencionar que la medición in situ de la resistividad termica de un suelo es clave en el diseño térmico de líneas eléctricas subterráneas de media y alta tensión. Por lo tanto, la intensidad máxima admisible de la instalación dependerá del valor de Rho que ofrezca el terreno.

Por otro lado, se puede decir que utilizando el método de fuente de calor de línea transitoria, se pueden determinar propiedades como conductividad térmica, resistividad, difusividad y calor específico. Este análisis se basa en más de 30 años de experiencia en investigación sobre transferencia de calor y masa en suelos y medios porosos.

Para obtener los valores de resistividad termica, se aplica una corriente conocida observando los cambios de temperatura a lo largo del tiempo. Un algoritmo especialmente desarrollado ajusta los datos de tiempo y temperatura con una función exponencial integral.

Los datos de temperatura se toman a intervalos de tiempo conocido, hasta que se observa estabilidad térmica. Los datos de temperatura registrados se representan en función del tiempo en un gráfico semilogarítmico, delimitando la línea en el área estacionaria del gráfico.

Esta completa solución matemática genera valores de resistividad / conductividad entre ± 10%.

Para lograr con éxito el análisis de la resistividad termica de los suelos se requiere tener en consideración:

El perfil de resistividad de los suelos, y
La medición de la resistividad de los suelos.
El perfil de resistividad del suelo determinará el valor de resistencia del suelo y la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

Por otro lado, para obtener el perfil de resistividad de suelos en un punto dado, se usa el Método Wenner con espaciamientos de electrodos de prueba cada vez mayores. Normalmente, para cada espaciado se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.

El gráfico resultante de trazar el promedio de las medidas de resistividad (R) contra la distancia entre los electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del suelo.

En relación a la resistividad del terreno, se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y espesor de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para ubicar la red de tierra de una subestación, sistema electrónico, planta generadora o radio transmisor de frecuencia. También se puede utilizar para indicar el grado de corrosión de las tuberías subterráneas.

En general, los lugares con baja resistividad tienden a aumentar la corrosión.

En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno no es un requisito para realizar una malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un gran sistema de tierra, es recomendable buscar el área de menor resistividad para lograr la instalación más económica.

En la medición de la resistividad del suelo se puede decir que la resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudio geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una sub estación, sistema eléctrico planta generadora o trasmisora de radio frecuencia

Para medir la resistividad del suelo, se requiere un terrómetro (llamado en otros países: telurómetro) o Megger de tierra de cuatro terminales.

Los dispositivos más utilizados, según su principio de funcionamiento, pueden ser de 2 tipos: el tipo de compensación de saldo cero y el tipo de lectura directa.

Los terrómetros deben inyectar una frecuencia de corriente que no sea de 60 Hz para evitar medir tensiones y corrientes que no se deben al dispositivo sino al ruido eléctrico. Por ejemplo, si estamos cerca de una subestación o una línea en servicio, y vamos a realizar medidas de resistividad y resistencia de tierra, con un dispositivo de 60 Hz, estos sistemas inducirán corrientes a través de la tierra debido a campos electromagnéticos desde 60 Hz y dará una lectura errónea.

De la misma forma ocurre cuando los electrodos de prueba están mal conectados o tienen contactos falsos, darán señales falsas de corriente y voltaje. Si hay corrientes distintas a las enviadas por el dispositivo, leerá otras señales de tensión y corriente que no sean adecuadas.

Además, estos dispositivos de repente tienen oscilaciones en sus lecturas y no es posible leerlos.

Un dispositivo inteligente tiene conductores coaxiales blindados, tiene sistemas de filtrado y análisis y mide lo que encuentra, pero esa información es analizada, filtrada y luego deducida. Por ejemplo, para realizar una medición, envíe una señal de 100 Hz y mida; luego envía otra señal de 150 Hz y mide nuevamente y puede seguir enviando otras frecuencias altas hasta que los valores sean similares, forma una estadística y obtiene un promedio.

Los termómetros son analógicos o digitales y normalmente deben contener 4 carretes de cable 14 AWG. Para bobinado rápido se recomienda construir un sistema de bobinado que permita reducir el tiempo de medición. También traen 4 electrodos de material con suficiente dureza para ser clavados en la tierra con marro. Miden aproximadamente 60 cm de largo y 16 mm de diámetro. Además de lo anterior, es necesario contar con una cinta no metálica de aproximadamente 50 m.

Los terrómetros tienen cuatro terminales 2 para corriente (C1, C2) y 2 para potencial (P1, P2) y están numerados en el dispositivo C1 P1 P2 C2. Los termómetros deben estar certificados y probados en campo con una resistencia antes de tomar medidas.

Como la medida obtenida por un terrómetro es puntual, las medidas deben realizarse en una dirección, en otra a 90 grados de la primera y en la dirección de las diagonales. Al medir la resistividad de un terreno, es común encontrar valores muy dispares, provocados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común de una tabla con lecturas, para eliminar los valores que estén 50% por encima o por debajo la media aritmética. de todos los valores capturados.

Megger de Cuatro Terminales.

Para llevar a cabo el proceso de medición de resistividad de suelos, se puede emplear el método de Wenner, y el método de schlumberger.

Método de Wenner: El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a la misma distancia entre ellos. La relación V / I se conoce como resistencia aparente. La resistividad aparente del suelo es función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.

En la figura se expresa la disposición de los electrodos, observándose que la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores. Quedando la resistividad representada de la siguiente manera:

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de tierra con un radio igual a la separación de los electrodos.

Método de Schlumberger: es una modificación del método Wenner, ya que también utiliza 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos central o potencial (a) se mantiene constante, y las medidas se realizan variando la distancia de los electrodos externos al interno. electrodos, a una distancia múltiplos (na) del espaciado de base de los electrodos internos (a).

El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el método Wenner.

Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.

Conductancia (inverso a la resistencia termica).

En primer lugar, cabe señalar que la conductancia termica, es la cantidad de calor que se transmite a través de la unidad de espesor de un material, cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es de un grado; Está representado por la letra K y es equivalente a 1 / R (total) = K. También llamado conductividad térmica, valor K.

Se dice que la conductancia es la inversa de la resistencia termica, es decir, la diferencia de temperaturas necesaria para que se produzca una transferencia de calor por unidad de tiempo a través de un material.

Es decir, viene siendo una magnitud intensiva, inversa a la resistividad termica (que es la resistencia de ciertos materiales a la transmisión de calor por sus moléculas). La explicación de este fenómeno radica en que cuando un material se calienta, sus moléculas aumentan su energía cinética, es decir, aumentan su agitación.

Por otro lado, cabe mencionar que la conductancia termica C es una medida de la transferencia de calor a través de materiales, formados por una o más capas, y en condiciones de laboratorio. En este caso, se mide la cantidad de calor transferido a través del material en una unidad de tiempo y superficie, para un espesor especificado (no necesariamente una unidad).

Se calcula como la conductividad termica del material, λ dividida por el espesor de la capa, e, o como la inversa de la unidad de resistencia térmica C = 1 / R en unidades W • m-2 • K-1

C = λ = 1

e R

O, en el caso de que quieras estudiar un elemento con varias capas, tienes que tener en cuenta que no se pueden sumar las conductancias, pero sí las resistencias termicas, para que:

Siendo:

R_T: resistencia termica total (m²·K·W^-1)

R_j: resistencia termica de cada una de las capas que forman el elemento (m²·K·W^-1)

El valor de C es característico de cada composición constructiva.

En este sentido, si se tienen en cuenta situaciones reales, con aire a ambos lados, se deben tener en cuenta las resistencias superficiales y en ese caso se denomina transmitancia termica, U.

¿Que son las propiedades termicas?

Las propiedades termicas de los materiales son aquellas que van a determinar el comportamiento de los materiales frente al aumento de temperatura, es decir, el comportamiento que puedan expresar éstos frente al calor.

Por otro lado, es importante tener en cuenta que a medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura y dimensiones aumentan. La selección de materiales para elementos que estarían expuestos a altas temperaturas o a temperaturas menores a la temperatura ambiente, a cambios de temperatura, la capacidad calorífica, la expansión termica de la conductividad termica, son propiedades importantes en el uso práctico de sólidos.

Las propiedades térmicas de un material son: conductividad térmica, fusibilidad, soldabilidad y expansión.

Conductividad termica: es la propiedad de los materiales para transmitir calor.

De igual modo, se dice que la conductividad térmica es una propiedad física que señala la capacidad de un material de efectuar transferencia de calor por conducción, es decir, por contacto directo y sin intercambio de materia.

Fusibilidad: facilidad con la que un material puede fundirse, pasar de sólido a líquido. Las temperaturas de fusión representa en algunos casos una propiedad muy importante para su identificación. Los puntos de fusión de los minerales tienden a ser muy altos y de difícil acceso.
Soldabilidad: facilidad de un material para poder soldar consigo mismo o con otros materiales. Por otra parte, se puede decir que la soldabilidad es la capacidad que tienen los materiales diferentes o de la misma naturaleza para ser unificados de manera permanente a través de procesos de soldadura, sin presentar transformaciones estructurales que originen perjuicios.

En el proceso de soldeo por fusión se pueden diferenciar tres zonas claras en la unión soldada: metal de soldadura, ZAT, y metal base. De igual manera hay que mencionar que en el soldeo cuanto menor sea la velocidad mayor será la energía aportada.

Dilatación: la dilatación termica se refiere a un aumento de longitud, área o volumen que sufre un objeto procedente del aumento de temperatura. A su vez en los sólidos las moléculas tienen una posición fija, que al recibir calor se producirá un aumento en el movimiento de vibración de estas moléculas. La energía cinética de sus átomos tiende a aumentar de tal manera que la distancia entre las moléculas crecen, expandiéndose así el cuerpo, o reduciéndose si es enfriado.

La dilatación se explica por el aumento de la agitación termica de las partículas que comprenden el cuerpo. En donde si el cuerpo es largo, su dilatación será especialmente preceptible estando en presencia de una dilatación lineal. De igual modo, si la dilatación es de pequeña amplitud, se desarrolla una fuerza muy grande, que pueden ser tomadas en cuenta a la hora de construir rieles de ferrocarril, los cuales no están soldados entre si y se cortan en sus extremos formando un ángulo.

En líneas generales en las propiedades termicas, la temperatura tiende a ser un factor externo de gran importancia, ya que afecta prácticamente a todas las características de los materiales. De hecho, cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite y se expande.

Conductividad Térmica

Fusibilidad

Soldabilidad

Dilatación

Medidas de las propiedades termicas en suelos.

La determinación de las propiedades termicas de los suelos es fundamental en diversas aplicaciones de la Ingeniería Geotécnica, como el diseño de estructuras termoactivas, el aislamiento de sistemas de transmisión subterráneos, el almacenamiento de residuos sólidos y radiactivos, así como la estabilización térmica de suelos (Farouki, 1986 ).

Por otro lado, las variaciones en las propiedades físicas pueden tener efectos significativos sobre la conductividad termica de los suelos. En tal sentido, la conductividad termica es proporcional al contenido de humedad, por lo tanto cuanto mayor sea el contenido de humedad del suelo, mayor será la conductividad termica y viceversa.

Estas propiedades termicas, tienden a influir en cómo se divide la energía en el perfil del suelo, y están asociadas con la transferencia de energía (principalmente en forma de calor) a través del suelo, por radiación, conducción y convección.

Por otra parte, las propiedades termicas del suelo (capacidad calorífica, calor específico, conductividad térmica y difusividad térmica) van a variar el contenido del agua, granulometría y agregación del suelo.

Por último se puede decir, que el medidor de resistividad termica portátil Thermtest TLS-100 facilita a los usuarios la capacidad y facilidad de medir propiedades termicas de suelos, solidos y polvos con conductividad termica que van a variar desde: 0.1 a 5 W / m · K y resistividad termica que va a variar desde: 0.2 a 10 m · K / W, en un rango de temperatura de -40 a 100 ° C.

5/5 - (1 voto)