6.3.1 La conductividad térmica del Hielo Ih
6.4 Medidas DSC con agua
Para terminar este capítulo queremos mencionar que, a efectos de verificación, también se realizaron ensayos para el agua destilada con el equipo DSC disponible en nuestro laboratorio, en un rango de temperatura de 248 K a 348 K que incluye la transición de fase sólido‐líquido. Se han medido tanto curvas de calentamiento (fusión) como de enfriamiento (cristalización). En la Tabla 6.4 se recogen los valores obtenidos del análisis cuantitativo de las curvas DSC: temperaturas y correspondientes entalpías de cambio de fase. Para dicho análisis se utilizó el procedimiento descrito en el Capítulo 3, basado en el uso del software del fabricante del equi‐ po. Como es bien conocido, el agua presenta importantes efectos de subenfriamiento, las cur‐ vas de cristalización DSC dependen fuertemente de la velocidad utilizada para el cambio de temperatura, y los datos obtenidos de su análisis cuantitativo son poco reproducibles. Por ello, no reportamos en esta Memoria datos cuantitativos referidos a las curvas de cristalización. Este proceder es habitual en las publicaciones científicas cuyo propósito principal es la medida de propiedades termofísicas de los materiales. La Tabla 6.4 sólo recoge valores obtenidos en ensayos DSC de fusión.
Tabla 6.4: Temperatura de fusión (Tm), y entalpía de fusión (Hm) del agua destilada en nuestro laboratorio,
obtenidas por ensayos DSC de fusión (calentamiento) Transición Solido/liquido Tm (K) ΔHm (J/g) 273.63 332.86
Un examen de los datos de la Tabla 6.4 muestra que, dentro de la precisión de las medidas DSC59, la temperatura de fusión del agua, y la correspondiente entalpía de fusión, son indistin‐ guibles de los valores bien conocidos y tabulados, por ejemplo, en el webbook del NIST60. También son indistinguibles de otros valores de referencia más recientes publicados en artícu‐ los con revisión por pares, como son los datos de Wilson et al. [22], que reportan una tempera‐ tura de fusión T m 273.15 Ky la entalpía de fusión Hm 333.60 kJ/kg. Estos datos, de alguna
forma, reafirman la conclusión, ya obtenida por medida directa de la resistividad eléctrica, de que el agua destilada en nuestro laboratorio es suficientemente pura.
6.5 Referencias
[1] Blackwell JH. Radial‐axial heat flow in regions bounded internally by circular cylinders. Can J Phys. 1953;31:472‐9.
[2] Blackwell JH. The axial‐flow error in the thermal conductivity probe. Can J Phys. 1956;34:412‐7. [3] Healy JJ, Groot JJd, Kestin J. The theory of the transient hot‐ wire method for measuring thermal conductivity. Physica. 1976;82:392‐408.
[4] Elustondo D, Elustondo MP, Urbicain MJ. New thermal conductivity probe design based on the analysis of error sources. J Food Eng. 2001;48:325–33.
59 Recordamos que la hemos estimado en un 2% 60 http://webbook.nist.gov
[5] Liang X‐G. The boundary induced error on the measurement of thermal conductivity by transient hot wire method. Meas Sci Technol. 1995;6:467‐71.
[6] Das SK CS, Yu W, Pradeep T. Nanofluids: Science and Technology. New York: Wiley; 2007.
[7] Cuenca Y, Salavera D, Vernet A, Vallès M. Thermal conductivity of ammonia + water mixtures over a wide range of concentrations. International Journal of Refrigeration. 2013;36:998‐1003.
[8] Carson JK. Review of effective thermal conductivity models for foods. International Journal of Refrigeration. 2006;29:958‐67.
[9] Vélez C, Khayet M, Ortiz de Zárate JM. Conductividades térmicas de sistemas con cambio de fase líquido/sólido. In: Troncoso J, Fernandez CM, editors. La investigación del Grupo Especializado de Termodinámica de las Reales Sociedades Españolas de Física y de Química. España: RSEF; 2012. p. 121‐ 33.
[10] Assael MJ, Charitidou E, Wakeham WA. Absolute Measurements of the Thermal Conductivity of Mixtures of Alcohols with Water. Int J Thermophys. 1989;10:793‐803.
[11] Ramires MLV, Nieto de Castro CA, Nagasaka Y, Nagashima A, Assael MJ, Wakeham WA. Standard Reference Data for the Thermal Conductivity of Water. J Phys Chem Ref Data. 1995;24:1377‐81.
[12] Lawson AW, Lowell R, Jain AL. Thermal Conductivity of Water at High Pressures. J Chem Phys. 1959;30:643‐7. [13] Powell RW. Thermal conductivities and expansion coefficients of water and ice. Advances in Physics. 1958;7:276‐97. [14] Slack GA. Thermal conductivity of ice. Phys Rev B. 1980;22:3065‐71. [15] Ratcliffe EH. The thermal conductivity of ice new data on the temperature coefficient. Philos Mag. 1962;7:1197‐203. [16] Fukusako S. Thermophysical Properties of Ice, Snow, and Sea Ice. Int J Thermophys. 1990;11:353‐ 72. [17] Andersson O, Inaba A. Thermal conductivity of crystalline and amorphous ices and its implications on amorphization and glassy water. PCCP. 2005;7:1441‐9.
[18] Fang X, Fan L‐W, Ding Q, Wang X, Yao X‐L, Hou J‐F, et al. Increased Thermal Conductivity of Eicosane‐Based Composite Phase Change Materials in the Presence of Graphene Nanoplatelets. Energy Fuels. 2013;27:4041‐7.
[19] Nabil M, Khodadadi JM. Experimental determination of temperature‐dependent thermal conductivity of solid eicosane‐based nanostructure‐enhanced phase change materials. Int J Heat Mass Tran. 2013;67:301‐10.
[20] Stryker PC, Sparrow EM. Application of a spherical thermal conductivity cell to solid n‐eicosane paraffin. Int J Heat Mass Tran. 1990;3:1781‐93.
[21] Yaws CL. Handbook of thermodynamic and physical properties of chemical compounds. Norwich, N.Y: Knovel; 2003.
[22] Wilson PW, Arthur JW, Haymet ADJ. Ice Premelting during Differential Scanning Calorimetry. Biophys J. 1999;77:2850–5.
171
Capítulo 7. La conductividad térmica
de nanofluidos y nanocompuestos ba‐
sados en n‐eicosano
En este capítulo describiremos los resultados obtenidos para la conductividad térmica de na‐ nofluidos y nanocompuestos obtenidos por dispersión homogénea de partículas sólidas de tamaño nanométrico en algunos de los n‐alcanos descritos en Capítulos anteriores (en particu‐ lar, n‐eicosano). Utilizaremos la palabra nanofluidos cuando las dispersiones homogéneas se encuentren en estado líquido y nanocompuestos (nanocomposites) cuando las dispersiones homogéneas se encuentren en estado sólido. Las medidas experimentales de se realizaron con la técnica de alta precisión que emplea el método del hilo caliente (THW) utilizando el mismo sistema experimental. También describiremos medidas auxiliares, como las del tamaño de partícula por SAXS y de calorimetría DSC. Como ya se indicó en el Capítulo 3, el equipo de THW ha sido desarrollado en nuestro laboratorio, las medidas con DSC se realizaron utilizando un equipo comercial compacto y para la técnica experimental SAXS se ha utilizado un equipo ofrecido por el Centro de Asistencia a la Investigación de la UCM (CAI, Difracción de rayos X). En particular, presentaremos nuevos datos, obtenidos durante el desarrollo de la presente Tesis Doctoral, de la conductividad térmica en cinco nanofluidos que contienen, respectiva‐ mente, óxido de cobre (CuO), nanotubos de carbono multicapa (MWNCT), óxido de hierro (Fe3O4), óxido de silicio (SiO2) y óxido de titanio (TiO2) en n‐eicosano. Los nanofluidos se prepa‐raron utilizando el método de un solo paso (es decir, mediante la dispersión de nanopartículas directamente en el líquido base) [1‐3].
7.1 Materiales
El producto químico utilizado en esta investigación como fluido base para preparar los distin‐ tos nanofluidos fue el n‐eicosano (CH3(CH2)18CH3). Como en Capítulos anteriores, fue adquirido en Sigma‐Aldrich y tiene una pureza nominal de 99%. El n‐eicosano se ha utilizado tal y como lo suministra el fabricante, sin someterlos a procesos de purificación extra.En nuestra investigación hemos utilizado cinco nanopolvos comerciales diferentes, todos su‐ ministrados por Sigma‐Aldrich: Nanopolvo de óxido de cobre (II) (CuO) (Catálogo #: 544868) con un tamaño de partícula inferior a 50 nm y un área superficial de 29 m2 g‐1; nanopolvo de sílice (SiO2) (Catálogo #: S5505) descrito por el fabricante por un tamaño medio de partícula de
14 nm y área superficial de 200 ± 25 m2 g‐1; nanopolvo de óxido de titano (IV) (Catálogo #: