A condutividade térmica do aço indica a facilidade com que o calor atravessa o metal sob um gradiente de temperatura. Representada por k ou λ, costuma ser expressa em W/(m·K). Seu valor depende do grau, da temperatura e da condição do material. A 20°C, os dados de referência consultados apresentam 52 W/(m·K) para o aço carbono UNS G10200, 15 para os inoxidáveis 304 e 316 e 25 para o ferrítico 430. São valores para comparação em condições definidas, sem garantia para qualquer produto fornecido.
Calcular a transferência de calor exige também conhecer a geometria e as condições de contorno. Uma chapa fina de inox pode oferecer pouca resistência à passagem de calor pela espessura, mesmo tendo condutividade inferior à de muitos aços carbono.
O que a condutividade informa
A condutividade relaciona o fluxo de calor local por unidade de área ao gradiente de temperatura. Na condução unidimensional, a lei de Fourier é q″ = −k(dT/dx). Aqui, q″ é o fluxo por área em W/m², e dT/dx é o gradiente em K/m. O sinal negativo indica que o calor segue na direção de menor temperatura.
Para uma placa uniforme com k constante, a taxa de transferência de calor em regime permanente é Q̇ = kA(T₁ − T₂)/L. A é a área perpendicular ao fluxo; L, o comprimento do percurso; e T₁ e T₂, as temperaturas das faces quente e fria. Essa forma simplificada pressupõe fluxo unidimensional, ausência de geração interna de calor e perdas desprezíveis pelas bordas. O resultado tem unidade W e representa uma taxa, não a energia armazenada.
Compare valores na mesma temperatura
| Material | k, W/(m·K) | Temperatura | Referência |
|---|---|---|---|
| Aço carbono UNS G10200 | 52 | 20°C | Tabela de propriedades físicas da SSINA |
| 304 / EN 1.4301, austenítico | 15 | 20°C | Tabelas técnicas da worldstainless |
| 316 / EN 1.4401, austenítico | 15 | 20°C | Tabelas técnicas da worldstainless |
| 430 / EN 1.4016, ferrítico | 25 | 20°C | Tabelas técnicas da worldstainless |
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A tabela permite comparar os materiais identificados. Ela não substitui um certificado de lote nem fornece um valor de projeto independente do grau. As entradas citadas não descrevem por completo o histórico de processamento ou a direção de medição do produto entregue; obtenha esses detalhes quando forem relevantes. As duplas de designações seguem as correspondências das fontes e não certificam intercambialidade segundo as normas de compra.
Os aços 304 e 316 têm o mesmo valor arredondado nessa tabela, mas diferem em composição e resistência à corrosão. A condutividade isolada não resolve a escolha. O exemplo ferrítico também mostra por que a expressão “aço inoxidável” abrange materiais demais para definir um único coeficiente.
Por que o valor muda
Nos metais, elétrons e vibrações da rede cristalina participam do transporte de calor. Elementos de liga e alterações da estrutura modificam o espalhamento desses portadores. Assim, composição, tratamento térmico, trabalho a frio e defeitos podem afetar a condutividade. A classe de resistência mecânica ou uma superfície polida não determina k.
O comportamento com a temperatura depende do material. A SSINA apresenta UNS G10200 com 52 W/(m·K) a 20°C e 43 a 400°C; para o 304, os valores sobem de 16,2 a 100°C para 21,4 a 500°C. Esses exemplos não estabelecem uma correção térmica válida para todos os aços. Use uma curva correspondente ao grau e à condição do material, dentro da faixa declarada.
A correlação de condutividade do 304 publicada pelo NIST usa kelvin: os dados abrangem 4–300 K, enquanto a equação é indicada para 1–300 K. Um ajuste criogênico não deve ser extrapolado para o serviço em fornos. Se k variar significativamente entre as faces de uma placa, integre a relação k(T) validada nesse intervalo ou use um modelo numérico adequado. Adotar a média aritmética de dois valores também exige justificativa.
Exemplo de cálculo para uma placa
Considere uma placa hipotética de 304 com A = 0,10 m² e L = 10 mm = 0,010 m. Mantenha uma face a 30°C e a outra a 20°C. Para este exemplo didático, suponha k = 15 W/(m·K) constante no intervalo; o valor tabelado a 20°C, sozinho, não comprova essa média.
- Diferença de temperatura: ΔT = 10 K.
- Taxa de transferência de calor: Q̇ = 15 × 0,10 × 10 / 0,010 = 1.500 W.
- Fluxo de calor por área: q″ = Q̇/A = 15.000 W/m².
- Resistência da placa: R = L/(kA) = 0,00667 K/W.
Mantidas as demais hipóteses, dobrar a espessura reduz Q̇ à metade; dobrar a área duplica Q̇. O resultado elevado exige manter fixas as duas temperaturas superficiais. Usar as temperaturas do ar ambiente no lugar delas excluiria a resistência à troca de calor entre o ar e o metal.
Diferenças de temperatura em kelvin e em graus Celsius têm o mesmo valor numérico. Com k em W/(m·K), entre com o comprimento em metros: inserir 10 para a espessura deste exemplo gera um erro de mil vezes. Separe o fluxo por área, em W/m², da taxa total, em W.
Condutividade, condutância e difusividade
A condutância térmica desta placa, G = kA/L = 150 W/K, já inclui a geometria. A condutividade k é uma propriedade do material; G descreve um percurso específico. A resistência térmica por unidade de área é R″ = L/k = 0,000667 m²·K/W. Antes de somar resistências, confira se cada valor já incorpora a área.
A difusividade térmica a = k/(ρcₚ), em m²/s, combina a condutividade com a massa específica ρ e o calor específico cₚ. Ela ajuda a descrever como as mudanças de temperatura se propagam no material. O tempo de aquecimento ainda depende das dimensões, da troca superficial e das condições iniciais. A dilatação térmica descreve variações dimensionais; seu coeficiente não substitui k. Veja dilatação térmica do aço para calcular movimentos.
Inclua camadas, contatos e ambiente
Para condução unidimensional em regime permanente através de camadas planas com área comum A, sem geração interna de calor e com condutividade constante em cada camada, somam-se as resistências em série: R_total = 1/(h₁A) + Σ[Lᵢ/(kᵢA)] + ΣR_contact + 1/(h₂A). Assim, Q̇ = (T∞,₁ − T∞,₂)/R_total. T∞,₁ e T∞,₂ são as temperaturas dos fluidos nos dois lados, fora da camada térmica superficial. Os coeficientes h descrevem a convecção entre superfície e fluido, em W/(m²·K). Todos os termos de resistência estão aqui em K/W.
Uma resistência de contato fornecida em m²·K/W deve ser dividida por A antes de entrar nessa expressão. Pressão de contato, folgas e condição superficial influenciam o resultado. O isolamento ou uma interface pouco condutora pode dominar a resistência total, reduzindo a importância de trocar o grau do aço em relação ao que a comparação de k sugere.
Fixadores e estruturas de apoio podem criar caminhos de calor em paralelo. Radiação, paredes curvas, espalhamento do fluxo, áreas de contato variáveis e armazenamento transiente podem exigir outro modelo. O coeficiente global U de um painel de aço revestido também depende da construção e do ambiente; a condutividade do aço base não basta para determiná-lo.
Dados a registrar antes de usar o resultado
- Identifique grau, forma do produto, condição e direção do fluxo térmico.
- Registre fonte, unidades, faixa térmica e se os dados são típicos, medidos ou especificados.
- Defina as temperaturas reais das superfícies ou dos fluidos e a geometria pertinente.
- Inclua interfaces, revestimentos, isolamento e troca com o ambiente.
- Avalie se as hipóteses de regime permanente, fluxo unidimensional e propriedades constantes são adequadas.
- Em projetos com consequências importantes, verifique dados e método conforme os requisitos aplicáveis, incluindo a incerteza.
Peça ao laboratório que informe a condição do corpo de prova, o método, a faixa de temperatura e a incerteza. Quando a condutividade é obtida a partir da difusividade, da massa específica e do calor específico, as entradas devem representar estados e temperaturas compatíveis. Um valor de manual não substitui esse registro rastreável.