Este documento describe las propiedades térmicas de los materiales porosos como la conductividad, resistividad, difusividad y calor específico. Explica cómo estas propiedades dependen del contenido de agua, temperatura, compactación y composición mineralógica del material. También presenta curvas que muestran la variación de la conductividad y resistividad térmica con el contenido de agua, y discute las aplicaciones de medir estas propiedades térmicas en campos como la energía geotérmica y la eficiencia energética en

1. Propiedades térmicas de materiales
porosos: definiciones y comportamiento
Mireia Fontanet Ambròs
Francesc Ferrer Alegre
Abril 2014, Cervera

2. Puntos básicos seminario
Presentación
Introducción, para qué medir la propiedades térmicas y
aplicaciones
Definiciones propiedades térmicas
Factores que afectan las térmicas eenn mmeeddiiooss ppoorroossooss
Conductividad y Resistividad en suelos y hormigones
o Curva estabilidad térmica
Cálculo del Calor Específico Volumétrico
Difusividad térmica

3. MIREIA FONTANET AMBRÒS
Geóloga
mireia@llaabb--ffeerrrreerr..ccoomm
Tlf. +34 973 532 110

4. info@lab-ferrer.com
www.lab-ferrer.com
blog.conductividadtermica.ccoomm
C/ Ferran el Catòlic, 3
25200, Cervera
Lleida

5. Distribuidores oficiales de Decagon Devices
KD2Pro
TR-1
SH-1
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RK-1
• Alquiler de equipos.
Laboratorio de suelos SoilRho
Servicio de medidas de Resistividad, Conductividad y Difusividad
térmica de materiales porosos y líquidos.

6. Introducción
¿Para qué hay que medir las propiedades térmicas de
materiales porosos?
Caracterizar térmicamente el material
Conocer qué comportamiento va a tener frente a una situación concreta.
Comprobar y validar si el material se le da un buen uso.
Aplicaciones
Perforación o instalación de líneas eléctricas.
¿Cuál es la resistencia térmica entre una línea eléctrica enterrada y el
medio ambiente externo? Como disipa el calor.
Energía geotérmica y solar.
¿Para un volumen de suelo dado, qué cantidad de energía se puede
almacenar?
Enterramiento de residuos radioactivos.
¿Cómo de caliente va a estar el terreno? ¿Cómo afectará a los patrones de
humedad?
• Eficiencia energética en edificios.

7. Propiedades térmicas
Conductividad térmica
Resistividad térmica
Difusividad
Calor específico

8. Definiciones
Conductividad térmica: es una propiedad física de los materiales que mide la
capacidad de conducción de calor. La capacidad de una sustancia de transferir
la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a
sustancias con las que no está en contacto.
H
= D
H x
( ) 1 2 T T
k
-
T1 T2
Dx
Unidades : w/K m = J/s k m
T1 T2
Dx
H
T1 T2
Dx
H

9. Definiciones
Resistividad térmica (rho): capacidad de oponerse a la conducción
de la temperatura.
Materiales heterogéneos, la inversa de la conductividad térmica.
Unidades: k m / w

10. Definiciones
Calor específico: calor que se requiere para aumentar una unidad de
temperatura.
Unidades: J m-3 K-1
Difusividad térmica: es una propiedad específica de cada material para
caracterizar conducción de calor en condiciones no estacionarias. Éste
valor describe cuán rápido un material reacciona a un cambio de
tteemmppeerraattuurraa..
Unidades: mm2/s

11. Propiedades térmicas de materiales
k
W/(mK)
C
MJ/(m3K)
D
mm2/s
Suelo mineral 2.5 2.3 1.09
GGrraanniittoo 33 22..22 11..3366
Cuarzo 8.8 2.1 4.19
Materia orgánica 0.25 2.5 0.10
Agua 0.6 4.18 0.14
Hielo 2.2 1.9 1.16
Aire 0.025 0.001 20.83

12. Propiedades térmicas en medios
porosos
• El suelo es una mezcla entre sólido, agua y aire.
• Las propiedades térmicas del material depende de las
propiedades térmicas de cada componente del suelo y de la
proporción en que se encuentra cada una de ellas.
• Conductividad y resistividad: Curvas Estabilidad térmica.
• Variación del Calor Específico Volumétrico.
• Difusividad térmica.

13. Variación de las proporciones
Aire 25%
Agua 25%
Un suelo saturado no tiene
aire en los poros.
El suelo drena agua hasta
capacidad de campo.
La planta absorbe agua del
Aire 15% Absorve muy poca
agua
Sólido 50%
suelo.
Sólido 85%
SUELOS HORMIGONES

14. Hormigón seco vs Hormigón saturado
P1 P2 P3
Conductividad
(seco) w/mK
1,806 2,000 2,086
Conductividad
(saturado) w/mK
2,185 2,314 2,285

15. Curvas de Estabilidad térmica
Evolución de la Resistividad o Conductividad térmica con el Contenido Volumétrico en agua
del suelo.
Se utiliza para conocer la resistividad en cables eléctricos.
Thermal runaway o
RRHHOO aallttaa
Punto crítico

16. Factores que influyen a las Curvas de
estabilidad térmica
Contenido en humedad
El contenido de agua favorece la disipación del calor
( rho, k)
Conductividad térmica aagguuaa:: 00,,66 WW//((mmKK))
Conductividad térmica aire: 0,025 W/(mK)

17. Factores que influyen a las Curvas dry-out
Tipo de material
Hay materiales más conductores que otros.
2.5
2
Thermal Conductivity - W/(mC)
quartz sand
loam
1400
1200
Thermal Resistivity - cm C/W
loam
quartz sand
1.5
1
0.5
0
organic
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Water Content - m3/m3
1000
800
600
400
200
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Water Content - m3/m3
organic

18. Factores que influyen a las Curvas dry-out
Grado de compactación.
Disminución de la porosidad.
2
1.8
1.6
1.4
Thermal Conductivity - W/(m K)
600
400
Thermal Resistivity (cm C/W)
60% pores
50% pores
17% pores
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Water Content - m3/m3
17% pores
50% pores
60% pores
200
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Water Content (m3/m3)

19. Factores que influyen a las Curvas dry-out
Temperatura del suelo
600
500
400
300
Thermal Resistivity (cm C/W)
25 C
65 C
90 C
1.8
1.6
1.4
1.2
1
Thermal Conductivity - W/(m K)
90 C
65 C
25 C
No Vap.
200
100
0
0 0.2 0.4 0.6
Water Content (m3/m3)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Water Content - m3/m3

20. Condiciones favorables y desfavorables
Resistividad térmica
rho rho
Suelo compactado Suelo blando
Humectado Seco
Cuarzo Materia orgánica
Incrementar temperatura Disminuir temperatura

21. Cálculo del Calor Específico
Volumétrico
El Calor Específico Volumétrico es una mezcla de aire, agua y
sólido. La suma de la proporción de cada elemento
multiplicado por el calor específico de cada uno de ellos es el
Calor Específico Volumétrico.
Aire 25%
Agua 25%
Sólido 50%
Una mezcla del 50% de sólido, 25% de aire y 25% de agua el calor
específico es:
C = 0.5 x 2.3 + 0.25 x 4.2 + 0.25 x 0.001 = 2.2 MJ m-3 K-1
Nota: el agua es la mitad del total. El aire es despreciable.
Se necesita: fracciones del volumen del sólido y líquido.

22. Intervalo de valores Calor Específico
Volumétrico
Material Seco
MJ/(m3K)
Saturado
MJ/(m3K)
SSuueelloo 1.2 3.2
(50% porosidad)
Hormigón
1.9 2.6
(17% porosidad)
Granito 2.2

23. Difusividad térmica
La Difusividad típica de un suelo (húmedo) es de 0,4 mm2/s.
La Difusividad típica de un suelo seco es de 0,2 mm2/s
La Difusividad de un suelo con materia orgánica es de 0.1
mm2/s
La Difusividad va de menos a más de acuerdo con la humedad
ddeell ssuueelloo..
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Volumetric Water Content (m3/m3)
Thermal Diffusivity (mm 2/s)
Quartz Sand
Loam
Clay
Organic

24. Conclusiones a retener
La conductividad y resistividad puede ser modelada
conociendo la densidad aparente, contenido en agua,
temperatura y mineralogía.
El Calor Específico Volumétrico se puede estimar
fácilmente de la densidad y el ccoonntteenniiddoo eenn aagguuaa..
La Difusividad es casi una propiedad binaria, baja en suelos
secos y alta en suelos húmedos.
La estabilidad térmica depende de las propiedades
hidráulicas y térmicas.

25. ¡GRACIAS!
MIREIA FONTANET AMBRÒS
Preguntas y aportaciones:
mireia@lab-ferrer.com
blog.conductividadtermica.ccoomm