LOS MATERIALES Y SUS CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS Conductividad Conductividad y resistividad La conductividad (k) y la resistividad son son prop propie ieda dade des s simp simple les s de los los mate materi rial ales es.. La conductividad se refiere a la capacidad de un material para conducir calor a través de su estructu estructura ra interna interna y se expresa expresa en Watts Watts por metro grado grado Celsius Celsius (W/m°C). (W/m°C). Otra unidad unidad aun!ue de uso cada ve" menos frecuente es la kilocalor#a por $ora metro grado Celsius (%cal/m$r°C). La e!uivalencia entre am&as unidades es' %cal/m$r°C .*+ W/m°C ,n algun algunos os estud estudios ios la conduc conductiv tivida idad d térmic térmica a se descr descri&e i&e como como el flu-o flu-o de calor calor !ue !ue en régimen estacionario atraviesa un material de caras planoparalelas y de espesor unitario durante una unidad de tiempo cuando la diferencia de temperatura entre sus caras es de una unidad. La resistividad por otro lado es el inverso de la conductividad (/k) y por lo tanto representa la capacidad del material para resistir el flu-o de calor. e expresa en metro grado Celsius por Watt (m°C/W). 0or e-emplo el acero es un material de elevada conductividad (12 W/m°C) y &a-a resistividad (2.23 m°C/W) mientras !ue el poliestireno expandido tiene una conductividad muy &a-a (2.2+ W/m°C) y una resistividad alta (++.++ m°C/W).
Conductancia Conductancia y resistencia La conductancia y la resistencia (4) son propiedades de una capa de material por lo !ue dependen del esesor espec#fico espec#fico de dic$a capa. La conductancia representa la capacidad de la capa de material para conducir el calor y es igual a la conductividad dividida por el espesor expres5ndose en Watts por metro cuadrado grado Celsius (W/m3°C). La resistencia por otro lado representa la capacidad de una capa de material para resistir el flu-o de calor y es igual a la resistividad multiplicada por el espesor expres5ndose en metro cuadrado grado Celsius por Watt (m3°C/W). 6am&ién aun!ue casi en desuso se encuentra la unidad metro cuadrado $ora grado Celsius por kilocalor#a (m3$r°C/%cal)' m3°C/W .*+ m3$r°C/%cal 7ado !ue la resistividad es el inverso de la conductividad y !ue los valores de conductividad de los materiales materiales construct constructivos ivos suelen ser m5s accesi&le accesi&les s la resisten resistencia cia de un material material generalmente se calcula con la siguiente f8rmula' 4e/k 78nde' 4 4esistencia térmica por unidad de 5rea de la capa de material (m3°C/W)
e ,spesor de la capa de material (m). k Conductividad del material (W/m°C). iguiendo el e-emplo anterior una capa de acero de 1mm tendr#a una resistencia térmica de 2.222 m3°C/W mientras !ue una capa de poliestireno expandido de 12mm tendr#a una resistencia térmica de .*9 m3°C/W.
!a"or R ,s com:n expresar la resistencia térmica de los materiales so&re todo de los productos aislantes como va"or R. 0or e-emplo el valor 4 de una t#pica colc$oneta de fi&ra de vidrio suele ser de 43.; es decir 3.; m3°C/W. i se toma el 5rea total de una capa de este material (m3) se multiplica por la diferencia de temperatura (°C) y se divide por 3.; se o&tiene el flu-o de calor en Watts. °?$/@tu)' m3°C/Watt 1.*9;1 ft3°?$/@tu ft3°?$/@tu 2.9* m3°C/Watt ,s muy importante prestar atenci8n a las unidades ya !ue en esos pa#ses el valor 4 de la colc$oneta en cuesti8n se expresar#a como 4+.* (ft3°?$/@tu).
Ca"or esec#$ico ,l ca"or esec#$ico es una propiedad simple de los materiales !ue se refiere en términos generales a la capacidad !ue tienen para acumular calor en su propia masa. 6am&ién se puede definir como la cantidad de calor !ue es necesario suministrar a una unidad de peso del material para incrementar su temperatura en un grado Celsius. Aientras mayor sea el calor espec#fico m5s energ#a tendr5 !ue suministrarse para calentar el material. 0ara designar al calor espec#fico se utili"a el s#m&olo Ce. ,n el istema Bnternacional se utili"a como unidad del calor espec#fico el oule por kilogramo grado Celsius (/kg°C). ,n ocasiones tam&ién se utili"a la kilocalor#a por kilogramo grado Celsius (%cal/kg°C) de acuerdo a la siguiente e!uivalencia' /kg°C 2.3+D %cal/kg°C ,l agua curiosamente tiene uno de los valores de calor espec#fico m5s elevados con cerca de ;322 /kg°C. in em&argo los valores de la gran mayor#a de los materiales empleados en la edificaci8n oscilan entre 922 y 122 /kg°C. ,n otras pala&ras se trata de un par5metro !ue s8lo representa diferencias importantes en el comportamiento térmico de los materiales cuando se le considera en relaci8n con otras propiedades como la densidad.
Ca"or esec#$ico vo"umétrico ,l ca"or esec#$ico vo"umétrico representa la capacidad de almacenamiento de calor de un material de acuerdo a su densidad. e calcula multiplicando su densidad por su calor espec#fico lo !ue nos da como unidad de medida el %ilo-oule por metro c:&ico grado Celsius (%-/m+°C). Otra unidad de medida aun!ue de uso menos com:n es la %ilocalor#a por metro c:&ico grado Celsius (%cal/m+°C). La e!uivalencia entre am&as medidas es como sigue' %-/m+°C 2.3+D %cal/m+°C 7ado !ue en realidad el calor espec#fico var#a relativamente poco entre los principales materiales constructivos su capacidad de almacenamiento de calor se relaciona estrec$amente con la densidad' los materiales pesados como el concreto el ladrillo y la piedra suelen presentar una elevada capacidad de almacenamiento de calor mientras !ue con los materiales ligeros como los aislantes sucede lo contrario.
Caacidad térmica La caacidad térmica representa una medida del calor !ue pueden almacenar las capas de material. 0ara c5lculos simples la capacidad térmica se puede determinar multiplicando la densidad del material por el espesor de la capa y luego por su calor espec#fico de lo cual resulta la unidad oule por metro cuadrado grado Celsius (/m3°C). 0or e-emplo la capacidad térmica de una capa de ado&e de +2cm ser#a la siguiente' *22 kg/m+ E 2.+ m E ;=2 /kg°C 92;22 /m3°C 92.;2 %-/m3°C
%& Caracter#sticas suer$icia"es Las roiedades suer$icia"es de los materiales pueden afectar de manera significativa su desempeFo térmico por lo !ue es necesario tomarlas en cuenta en el momento de su elecci8n. ,sto es especialmente importante para los materiales !ue conforman las capas externas de los cerramientos.
<&sortividad y a&sortancia La a'sortividad es la propiedad de un material !ue determina la cantidad de radiaci(n incidente !ue puede a&sor&er. La a'sortancia por otro lado representa en s# la fracci8n de radiaci8n incidente !ue es a&sor&ida por un material con valores !ue van de 2.2 a .2 (aun!ue tam&ién se puede expresar en términos de porcenta-e de 2G a 22G). La a&sortancia en ocasiones denominada a&sorci8n superficial depende fundamentalmente del color y el aca&ado de los materiales. La a&sortancia puede ser esta&lecida en relaci8n con radiaciones de diferentes longitudes de onda. 7e&ido a ello es com:n encontrar tres formas distintas de a&sortancia' so"ar visi'"e y térmica' La forma m5s com:n se refiere a la a'sortancia so"ar la cual incluye el espectro visi&le el infrarro-o y el ultravioleta. ,ste par5metro generalmente se usa para estimar la forma en !ue la radiaci8n solar afecta el &alance térmico de las superficies (exteriores e interiores) de los elementos constructivos. ,n la ta&la incluida a&a-o se indican los valores de a&sortancia solar de algunos materiales constructivos. Otro par5metro se refiere a la a'sortancia visi'"e. ,sta representa la fracci8n de la radiaci8n visi&le incidente !ue es a&sor&ida por un material. ,n ese sentido el rango de longitudes de onda considerado es muc$o m5s estrec$o !ue en el caso de la de radiaci8n solar ya !ue no se incluye el espectro infrarro-o ni el ultravioleta. Hn tercer valor es el de la a'sortancia térmica el cual se puede considerar un par5metro e!uivalente a la emitancia. La a&sortancia térmica representa la fracci8n de la radiaci8n incidente de onda larga (longitudes de onda infrarro-as) !ue es a&sor&ida por un material. ,ste par5metro afecta el &alance térmico superficial pero suele usarse para calcular los intercam&ios de radiaci8n de onda larga entre varias superficies.
,misividad La emisividad de un material representa la proporci8n entre la energ#a radiada por dic$o material y la energ#a !ue radiar#a un cuero negro idea" dada la misma temperatura y la misma superficie. ,n ese sentido se trata de una medida de la capacidad de un material para a&sor&er y radiar energ#a. i asignamos al cuerpo negro ideal un valor de .2 entonces cual!uier o&-eto real tiene una emisividad mayor a 2.2 y menor a .2.
7e acuerdo a la ley de %irc$$off para un o&-eto en e!uili&rio térmico la emisividad es igual a la a&sortividad de tal manera !ue un o&-eto !ue a&sor&e menos radiaci8n de la !ue incide so&re él tam&ién emitir5 menos radiaci8n !ue un cuerpo negro ideal.
,n la siguiente ta&la se muestran los valores de a&sortancia solar y emisividad de algunos materiales comunes en la edificaci8n'
4eflectividad y reflectancia ,n 8ptica y termodin5mica la re$"ectividad representa la fracci8n de la radiaci8n incidente !ue es refle-ada por una superficie. ,n términos generales la reflectividad se considera una propiedad direccional ya !ue adem5s de la longitud de onda depende de la direcci8n de la radiaci8n incidente y de la direcci8n de la radiaci8n refle-ada. ,n ciertos campos la reflectividad se distingue de la re$"ectancia por el $ec$o de !ue la primera es un valor !ue se aplica para capas refle-antes gruesas mientras !ue la segunda aplica para capas delgadas. Cuando la reflexi8n ocurre en capas delgadas los efectos de la reflexi8n interna pueden provocar !ue la reflectancia var#e de acuerdo al grosor de la superficie.
4ugosidad La rugosidad de un material se suele expresar como el coeficiente entre el 5rea real y el 5rea aparente de su superficie. i el 5rea real es igual al 5rea aparente el coeficiente de rugosidad es de .2. ,s muy com:n sin em&argo !ue el 5rea real sea mayor al 5rea aparente en cuyo caso el coeficiente de rugosidad ser5 mayor a .2 (nunca menor). ,ste par5metro afecta principalmente la convecci8n superficial de los componentes constructivos.
)& Materia"es ais"antes Cuando se $a&la de ais"amiento térmico generalmente se piensa en el uso de materiales con una elevadaresistencia térmica (o dic$o en otros términos un &a-o nivel de conductancia) con los cuales se &usca reducir el flu-o de energ#a a través de los cerramientos. in em&argo existe otro tipo de aislamiento elre$"ectante !ue funciona reduciendo el flu-o de ca"or radiante.
Minimi*ar e" aso de ca"or a través de los cerramientos reteniendo el calor en el interior de los edificios (aislamiento del fr#o) o evitando su ingreso (aislamiento del calor).
•
Contro"ar "as temeraturas suer$icia"es de los cerramientos manteniéndolas suficientemente altas para evitar las condensaciones o suficientemente &a-as para evitar elevadas temperaturas radiantes interiores.
•
Modi$icar "a inercia térmica de los cerramientos. ,n este caso los materiales aislantes generalmente se usan en com&inaci8n con materiales de elevada masa térmica. ,l comportamiento del cerramiento ser5 muy diferente si la capa aislante se u&ica $acia el interior o el exterior.
Ais"amiento resistivo 7e acuerdo a algunas normas internacionales se consideran aislantes los productos constructivos !ue tienen una conductividad térmica inferior a 2.2* W/m°C y una resistencia térmica superior a 2.1 m3°C/W (en este :ltimo par5metro entra en -uego el esesor del material). 0or lo !ue respecta a la conductividad uno de los materiales m5s aislantes empleados en la construcci8n es el poliisocianurato con un valor de 2.23* W/m°C mientras !ue en el l#mite superior se encuentran materiales como la fi&ra de madera (2.2* W/m°C).
0roductos aislantes resistivos Los productos aislantes resistivos se suelen encontrar en cuatro formas distintas' placas fieltros rociados (espreados) y rellenos'
+"acas Las placas r#gidas generalmente se $acen con esumas sintéticas como el poliestireno expandido (,0) o extrudido (I0) el poliuretano expandido y el poliisocianurato. ,n ocasiones tam&ién se producen mediante materiales fi&rosos prensados.
,ie"tros Los fieltros (o colc$onetas) se fa&rican con distintos tipos de $i'ras !ue pueden ser sintéticas de vidrio minerales o naturales. La fi&ra de vidrio se produce con arena y vidrio reciclado mientras !ue la fi&ra mineral se $ace con una me"cla de roca &as5ltica y residuos met5licos triturados. 0or lo !ue respecta a las fi&ras naturales se $an desarrollado fieltros a partir de la lana el algod8n e incluso productos como la c5scara de coco.
Ais"antes rociados Los aislantes rociados se componen de $i'ras sue"tas o pe!ueFos agregados generalmente adicionados con ad-esivos para $acerlos m5s resistentes. Jeneralmente se producen con fi&ras de vidrio minerales o de celulosa si &ien en algunos lugares se emplean fi&ras de lana ovina. ,n el caso de las fi&ras de celulosa casi siempre se producen a partir de papel reciclado y se tratan con !u#micos !ue retardan el fuego. ,stos aislantes suelen aplicarse so&re los cielorrasos o como relleno de cavidades en el interior de algunos cerramientos. 0ueden proporcionar una &uena resistencia a la in$i"traci(n si son lo suficientemente densos.
Esumas de re""eno Las espumas de relleno generalmente producidas con &ase en materiales como el poliuretano se introducen directamente en las cavidades de algunos cerramientos.
Ais"amiento re$"ectante .radiante/ < diferencia de los aislantes resistivos !ue reducen la transferencia de calor por conducci8n los ais"antes re$"ectantes act:an como &arrera a las ondas radiantes principalmente a!uellas u&icadas en el rango de los in$rarro0os. 0or lo general se producen fi-ando una capa de a"uminio u otro material de &rillo similar a una l5mina m5s o menos flexi&le de pl5stico o de cart8n. ,n la gran mayor#a de los materiales empleados en la construcci8n existe una relaci8n directa entre su capacidad para a&sor&er y emitir radiaci8n la cual depende tanto de su color como de
sus caracter#sticas superficiales. Los materiales con aca&ado oscuro y mate suelen presentar valores altos de a'sortancia y emisividad mientras !ue en los materiales con aca&ado claro y &rillante estos valores suelen ser muc$o m5s &a-os. ,stos :ltimos son los m5s adecuados para generar aislamiento reflectante. O&viamente mientras m5s claros y &rillantes sean mayor ser5 Los aislantes reflectantes se pueden emplear para reducir tanto las ganancias de calor en los climas c5lidos como las pérdidas en los climas fr#os aun!ue suelen ser &astante m5s eficientes en la primera situaci8n. ,n todo caso para ser efectivos de&en tener un alto #ndice de re$"ectancia (por lo menos 2.D).
PROPIEDADES TÉRMICAS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y AISLANTES Material
Densidad(kg/ !"
Cal#r es$e%&'i%#(/ (kg)*""
C#nd+%ti,idad t-ri%a(./ ()*""
Di'+si,idadt-ri%a ( /s" (01234"
Acero
7850
460
47-58
13,01-16,06
Agua
1000
4186
0,58
0,139
Aire
1,2
1000
0,026
21,67
Alpaca
8,72
398
29,1
8384,8
Aluminio
2700
909
209-232
85,16-94,53
Amianto
383-400
816
0,078-0,113
0,250-0,346
Arcilla refractaria
2000
879
0,46
0,261
Arena húmeda
1640
-
1,13
-
Arena eca
1400
795
0,33-0,58
0,296-0,521
Afalto
2120
1700
0,74-0,76
0,205-0,211
!aldoa cer"mica
1750
-
0,81
-
!a#uelita
1270
900
0,233
0,201
!itumen af"ltico
1000
-
0,198
-
!lo#ue cer"mico
730
-
0,37
-
!ronce
8000
360
116-186
40,28-64,58
$ar%&n 'antracita(
1370
1260
0,238
0,139
$art&n
-
-
0,14-0,35
-
$emento 'duro(
-
-
1,047
-
$inc
7140
389
106-140
38,16-50,41
$o%re
8900
389
372-385
107,45-111,20
$orcho 'e)pandido (
120
-
0,036
-
$orcho 'ta%lero(
120
1880
0,042
0,186
*puma de poliuretano
40
1674
0,029
0,433
*puma de +idrio
100
-
0,047
-
*tao
7400
251
64
34,46
i%ra de
220
795
0,035
0,200
+idrio undici&n
7500
-
55,8
-
.licerina
1270
2430
0,29
0,094
.oma dura
1150
2009
0,163
0,070
.oma epon/oa
224
-
0,055
-
.ranito
2750
837
3
1,303
ierro
7870
473
72
19,34
ormig&n
2200
837
1,4
0,761
ormig&n de cacote
1600-1800
-
0,75-0,93
-
"mina de fi%ra de madera
200
-
0,047
-
adrillo al cromo
3000
840
2,32
0,921
adrillo común
1800
840
0,8
0,529
adrillo de circonio
3600
-
2,44
-
adrillo de magneita
2000
1130
2,68
1,186
adrillo de mampoter a
1700
837
0,658
0,462
adrillo de lice
1900
-
1,070
-
ana de +idrio
100-200
670
0,036-0,040
0,537-0,299
at&n
8550
394
81-116
24,04-34,43
in&leo
535
-
0,081
-
itio
530
360
301,2
1578,61
adera
840
1381
0,13
0,112
adera de a%edul
650
1884
0,142
0,116
adera de alerce
650
1298
0,116
0,137
adera de arce
750
1591
0,349
0,292
adera de chopo
650
1340
0,152
0,175
adera de freno
750
1591
0,349
0,292
adera de
800
1340
0,143
0,133
haa adera de haa %lanca
700
1340
0,143
0,152
adera de pino
650
1298
0,163
0,193
adera de pino %lanco
550
1465
0,116
0,144
adera de ro%le
850
2386
0,209
0,103
"rmol
2400
879
2,09
0,991
ica
2900
-
0,523
-
ortero de cal cemento
1900
-
0,7
-
ortero de cemento
2100
-
1,4
-
ortero de +ermiculita
300-650
-
0,14-0,26
-
ortero de eo
1000
-
0,76
-
ortero para re+o#ue
1800-2000
-
1,16
-
#uel
8800
460
52,3
12,92
ro
19330
130
308,2
122,65
iarra
2650
758
0,42
0,209
laca de eo
600-1200
-
0,29-0,58
-
lata
10500
234
418
170,13
le)igl"
1180
-
0,195
-
lomo
11340
130
35
23,74
olietireno
1050
1200
0,157
0,125
orcelana
2350
921
0,81
0,374
errn
215
-
0,071
-
:ierra de diatomea
466
879
0,126
0,308
:e/a cer"mica
1650
-
0,76
-
;ermiculita e)pandida
100
837
0,07
0,836
;ermiculita uelta
150
837
0,08
0,637
;idrio
2700
833
0,81
0,360
1800
837
0,81
0,538
MICROO12AS e denomina microondas a las ondas electromagnéticasK generalmente de entre +22 A" y +22 J" !ue supone un per#odo de oscilaci8n de + ns (+M2ND s) a + ps (+M2N3 s) y una longitud de onda en el rango de m a mm. Otras definiciones por e-emplo las de los est5ndares B,C *2212 y B,,, 22 sit:an su rango de frecuencias entre J" y +22 J" es decir longitudes de onda de entre +2 cent#metros a mil#metro. ,l rango de las microondas est5 incluido en las &andas de radiofrecuencia concretamente en las de H? (ultra-high frequency frecuencia ultra alta) 2+ + J" ? (super-high frequency frecuencia s:per alta) ++2 J" y ,? (extremely-high frequency frecuencia extremadamente alta) +2+22 J". Otras &andas de radiofrecuencia incluyen ondas de menor frecuencia y mayor longitud de onda !ue las microondas. Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda en el orden de mil#metros se denominan ondas milimétricas.
