La conductividad térmica del acero expresa la facilidad con la que el calor atraviesa el metal cuando existe un gradiente de temperatura. Se representa con k o λ y suele expresarse en W/(m·K). Depende del grado, la temperatura y el estado del material. A 20°C, las referencias consultadas indican 52 W/(m·K) para el acero al carbono UNS G10200, 15 para los inoxidables 304 y 316, y 25 para el ferrítico 430. Son datos de comparación con un alcance definido, no valores garantizados para cualquier suministro.
El cálculo de la transferencia de calor también necesita geometría y condiciones de contorno. Una chapa inoxidable delgada puede ofrecer poca resistencia al paso de calor a través de su espesor, aunque su conductividad sea menor que la de muchos aceros al carbono.
Qué describe la conductividad
La conductividad relaciona la densidad de flujo de calor local con el gradiente de temperatura. En una dimensión, la ley de Fourier es q″ = −k(dT/dx): q″ es la potencia térmica por unidad de superficie, en W/m², y dT/dx es el gradiente en K/m. El signo negativo indica que el calor se transmite hacia temperaturas menores.
Para una placa uniforme con k constante, la potencia transferida en régimen estacionario es Q̇ = kA(T₁ − T₂)/L. A es el área perpendicular al flujo; L, la longitud del recorrido; y T₁ y T₂, las temperaturas de las caras caliente y fría. La expresión supone flujo unidimensional, ausencia de generación interna de calor y pérdidas despreciables por los bordes. El resultado se expresa en W: representa una tasa de transferencia, no energía almacenada.
Compare valores a la misma temperatura
| Material | k, W/(m·K) | Temperatura | Referencia |
|---|---|---|---|
| Acero al carbono UNS G10200 | 52 | 20°C | Tabla de propiedades físicas de SSINA |
| 304 / EN 1.4301, austenítico | 15 | 20°C | Tablas técnicas de worldstainless |
| 316 / EN 1.4401, austenítico | 15 | 20°C | Tablas técnicas de worldstainless |
| 430 / EN 1.4016, ferrítico | 25 | 20°C | Tablas técnicas de worldstainless |
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La tabla permite comparar las entradas identificadas. No sustituye un certificado de lote ni proporciona un valor de diseño válido para todos los grados. Las referencias no detallan por completo el historial de procesamiento o la dirección de medida del producto suministrado; solicite esos datos cuando influyan en el cálculo. Los pares de designaciones siguen las correspondencias de las fuentes y no certifican intercambiabilidad según las normas de compra.
Los aceros 304 y 316 comparten aquí un valor redondeado, pero tienen diferencias de composición y resistencia a la corrosión. La conductividad por sí sola no permite elegir entre ellos. El ejemplo ferrítico también muestra que «acero inoxidable» abarca demasiados materiales para asignarle un único coeficiente.
Por qué cambia el valor
En los metales, el transporte térmico implica electrones y vibraciones de la red cristalina. La aleación y los cambios de estructura modifican la dispersión de esos portadores. Por ello, composición, tratamiento térmico, deformación en frío y defectos pueden afectar a la conductividad. La clase resistente o un acabado brillante no determinan k.
La tendencia con la temperatura depende del material. SSINA indica 52 W/(m·K) a 20°C y 43 a 400°C para UNS G10200; para 304, sus valores aumentan de 16,2 a 100°C a 21,4 a 500°C. Estos ejemplos no definen una corrección térmica universal. Utilice una curva correspondiente al grado y al estado del material, dentro del intervalo declarado.
La correlación de NIST para la conductividad del 304 utiliza kelvin: los datos cubren 4–300 K y la ecuación se indica para 1–300 K. Una correlación criogénica no debe extrapolarse a un horno. Si k varía apreciablemente entre las caras, integre la relación k(T) validada en ese intervalo o emplee un modelo numérico adecuado. Promediar aritméticamente dos valores también requiere justificación.
Ejemplo de cálculo en una placa
Considere una placa hipotética de 304 con A = 0,10 m² y L = 10 mm = 0,010 m. Mantenga sus caras a 30°C y 20°C. Para ilustrar el cálculo, se supone k = 15 W/(m·K) constante en ese intervalo; la tabla a 20°C no verifica por sí sola ese promedio.
- Diferencia de temperatura: ΔT = 10 K.
- Potencia transferida: Q̇ = 15 × 0,10 × 10 / 0,010 = 1 500 W.
- Densidad de flujo de calor: q″ = Q̇/A = 15 000 W/m².
- Resistencia de la placa: R = L/(kA) = 0,00667 K/W.
Con las demás hipótesis iguales, duplicar el espesor reduce Q̇ a la mitad; duplicar el área la duplica. El elevado resultado exige mantener constantes ambas temperaturas superficiales. Sustituirlas por las temperaturas del aire omitiría la resistencia entre el aire y el metal.
Las diferencias de temperatura en kelvin y en grados Celsius tienen el mismo valor numérico. Con k en W/(m·K), introduzca las longitudes en metros: usar 10 como espesor en este ejemplo produciría un error de un factor de mil. Distinga siempre W/m² de flujo por área y W de potencia total.
Conductividad, conductancia y difusividad
La conductancia térmica de esta placa es G = kA/L = 150 W/K e incluye su geometría. La conductividad k es una propiedad del material; G caracteriza un recorrido concreto. La resistencia por unidad de área es R″ = L/k = 0,000667 m²·K/W. Antes de sumar resistencias, compruebe si cada valor incorpora el área.
La difusividad térmica a = k/(ρcₚ), en m²/s, combina conductividad, densidad ρ y calor específico cₚ. Ayuda a describir cómo se propagan los cambios de temperatura dentro del material. El tiempo de calentamiento también depende del tamaño, del intercambio superficial y del estado inicial. La dilatación térmica describe cambios dimensionales; su coeficiente no sustituye a k. Consulte la dilatación térmica del acero para calcular movimientos.
Incluya capas, contactos y entorno
Para conducción estacionaria unidimensional a través de capas planas de área común A, sin generación interna de calor y con conductividad constante en cada capa, las resistencias en serie se suman: R_total = 1/(h₁A) + Σ[Lᵢ/(kᵢA)] + ΣR_contact + 1/(h₂A). Entonces Q̇ = (T∞,₁ − T∞,₂)/R_total. T∞,₁ y T∞,₂ son las temperaturas del fluido a cada lado, fuera de la capa térmica superficial. Los coeficientes h describen la convección entre superficie y fluido, en W/(m²·K). Todos los términos de resistencia se expresan aquí en K/W.
Si la resistencia de contacto se facilita en m²·K/W, divídala por A antes de introducirla. Influyen la presión de contacto, las holguras y el estado superficial. El aislamiento o una interfaz poco conductora pueden dominar la resistencia total; cambiar de acero puede tener menos efecto del que sugiere comparar únicamente k.
Los elementos de fijación y los marcos pueden crear recorridos en paralelo. La radiación, las paredes curvas, la dispersión del flujo, las áreas de contacto variables y el almacenamiento transitorio pueden exigir otro modelo. La transmitancia global U de un panel de acero revestido también depende de su construcción y entorno; la conductividad del acero base no basta para obtenerla.
Datos que conviene registrar
- Identifique grado, forma de producto, estado y dirección del flujo térmico.
- Registre fuente, unidades, intervalo térmico y carácter típico, medido o especificado del dato.
- Defina las temperaturas reales de superficies o fluidos y la geometría pertinente.
- Incluya interfaces, recubrimientos, aislamiento e intercambio con el exterior.
- Compruebe si son adecuadas las hipótesis de régimen estacionario, flujo unidimensional y propiedades constantes.
- En diseños con consecuencias importantes, verifique datos y método frente a los requisitos del proyecto, incluida la incertidumbre.
Solicite al laboratorio el estado de la probeta, método, intervalo de temperaturas e incertidumbre. Si la conductividad se obtiene a partir de difusividad, densidad y calor específico, las entradas deben corresponder a estados y temperaturas compatibles. Un número de manual no sustituye ese registro trazable.