Condutância térmica de contato

Em física, condutância térmica de contato é o estudo da condução térmica entre corpos sólidos em contato. O coeficiente de contato térmico, $h_{c}$, é uma propriedade indicando a condutividade térmica, ou habilidade em conduzir calor, entre dois corpos em contato. O inverso desta propriedade é a propriedade da resistência térmica de contato.

Definição

Quando dois corpos sólidos entram em contato, tal como A e B na Figura 1, o calor flui do corpo mais quente para o corpo mais frio. A partir da experiência, o perfil de temperatura ao longo dos dois corpos varia, aproximadamente, como mostrado na figura. A queda de temperatura é observada na interface entre as duas superfícies em contato. Este fenômeno é dito ser um resultado de uma resistência térmica de contato existindo entre as superfícies em contato. A resistência térmica de contato é definida como a razão entre esta queda de temperatura e o fluxo de calor médio através da interface.

De acordo com a lei de Fourier, o fluxo de calor entre os corpos é encontrado pela relação:

$q=-kA{\frac {dT}{dx}}$ (1)

onde $q$ é o fluxo de calor, $k$ é a condutividade térmica, $A$ é a área da seção transversal e $dT/dx$ é o gradiente de temperatura na direção do fluxo.

Das considerações de conservação de energia, o fluxo de calor entre os dois corpos em contato, corpos A e B, é encontrado por:

$q={\frac {T_{1}-T_{3}}{\Delta x_{A}/(k_{A}A)+1/(h_{c}A)+\Delta x_{B}/(k_{B}A)}}$ (2)

Pode-se observar que o fluxo de calor está diretamente relacionada à condutividade térmica dos corpos em contato, $k_{A}$ e $k_{B}$, a área de contato, $A$ e a resistência térmica de contato, $1/h_{c}$, a qual, como previamente notado, é o inverso do coeficiente de condutância térmica, $h_{c}$.

Importância

A condutância térmica de contato é um importante fator numa variedade de aplicações, principalmente porque muitos sistemas físicos contém uma combinação mecânica de dois materiais. Alguns dos campos onde a condutância térmica de contato é importante são:

• Eletrônica
  • Empacotamento eletrônico (electronic packaging)
  • Dissipadores de calor
  • Brackets
• Indústria
  • Resfriamento de reatores nucleares
  • Resfriamento de turbina a gás
  • Motores de combustão interna
  • Trocadores de calor
  • Isolamento térmico
• Voo
  • Veículos de voo hipersônico
  • Monitoração térmica para veículos espaciais

Fatores que influenciam a condutância de contato

Fig. 2: Uma ampliação da interface entre duas superfícies em contato. A qualidade final é exagerada por causa do argumento.