El aluminio puro tiene una conductividad térmica de 205-237 W/m·K, solo superada por la plata y el cobre entre los metales comunes. Los grados de aleación bajan hasta situarse aproximadamente entre 117 y 218 W/m·K. Pero el valor máximo no lo dice todo: por unidad de masa, el aluminio transmite aproximadamente 1,4 veces más calor que el cobre, razón por la cual los disipadores térmicos, las placas de refrigeración y los intercambiadores de calor se fabrican con tanta frecuencia con este material. La elección depende de tres factores: el valor a la temperatura de funcionamiento, el equilibrio entre resistencia y conductividad, y la aleación que mejor se adapte a la aplicación.
¿Qué hace que el aluminio sea un conductor térmico excepcional?
Los metales conducen el calor principalmente a través de los electrones libres. Los electrones que se desplazan a través de la red cristalina transportan el calor desde el lado caliente hacia el lado frío; cuantas menos colisiones sufran, mejor conduce el material. El aluminio puro tiene una red cristalina uniforme y muy pocas impurezas, por lo que los electrones se desplazan casi sin obstáculos y tanto su conductividad térmica como la eléctrica se mantienen altas. La aleación cambia esta situación: los elementos disueltos actúan como centros de dispersión, los electrones se desvían de su trayectoria y la conductividad disminuye.
Cómo transportan el calor los electrones libres
La conducción térmica y la eléctrica comparten los mismos electrones libres, por lo que suelen variar al mismo tiempo. El aluminio puro alcanza cerca de 237 W/m·K, aproximadamente lo mismo que el cobre 60%. De ello se deriva la siguiente regla práctica: cualquier aditivo que reduzca significativamente la conductividad eléctrica del aluminio reducirá su conductividad térmica en aproximadamente la misma proporción.
Conductividad térmica frente a difusividad térmica
Estos dos valores responden a preguntas diferentes. La conductividad térmica (k) indica cuánto calor puede fluir en estado estacionario —el valor que hay que utilizar para dimensionar un disipador térmico—. La difusividad térmica (α) indica la rapidez con la que se propaga un cambio de temperatura, es decir, si la pieza se calienta de manera uniforme o si presenta puntos calientes. El valor de α del aluminio es de unos 91 mm²/s, un orden de magnitud superior al del acero inoxidable, razón por la cual los disipadores de aluminio se calientan rápidamente y mantienen una temperatura uniforme. Determina el estado estacionario con k; comprueba el valor de α cuando el tiempo de calentamiento o los puntos calientes sean importantes.
Valores de conductividad térmica en las distintas series de aleaciones de aluminio
Los valores que figuran a continuación son mediciones en estado estacionario a temperatura ambiente (20-25 °C). La unidad W/m·K indica cuántos vatios atraviesan un cubo de 1 m de material por cada grado de diferencia de temperatura; cabe esperar una variación de unos pocos W/m·K entre las fichas técnicas de los proveedores y las dimensiones, en comparación con los datos propios del grado.
Tabla de referencia de la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
| Material | Conductividad térmica (W/m·K) | Notas |
|---|---|---|
| Aluminio puro (1xxx) | 222-237 | 1050 ≈ 229, 1100 ≈ 222; mejor conductividad, menor resistencia |
| 3003 (3xxx) | 163–193 | Aleación de manganeso; resistencia moderada con una pérdida modesta |
| 5052/5083 (5xxx) | 117–200 | La conductividad disminuye a medida que aumenta el magnesio; buena resistencia a la corrosión |
| 6061-T6 (6xxx) | ≈ 167 | El equilibrio habitual entre fuerza y conducción |
| 6063-T5 (6xxx) | 200-209 | Común en las aletas de disipación de calor extruidas |
| 7075 (7xxx) | 125-157 | Resistencia aeroespacial al mayor coste de conductividad |
| Cobre puro (referencia) | 385–401 | Aproximadamente entre un 60 y un 70% más que el aluminio |
| Acero inoxidable 304 (referencia) | 14–25 | Solo entre 1/10 y 1/15 del aluminio |
La serie 1xxx es la que mejor conduce el calor, pero resulta demasiado blanda para piezas estructurales; la serie 6xxx conduce menos el calor, pero puede soportar cargas al tiempo que disipa el calor, razón por la cual predomina en las estructuras reales de disipadores térmicos.
Cómo influye la temperatura en las cifras
La temperatura es el valor que más fácilmente se pasa por alto. El aluminio puro oscila entre unos 236 W/m·K a 0 °C y 220 a 527 °C, aumentando antes de disminuir, para luego caer bruscamente hasta unos 92 W/m·K una vez fundido. Los datos a temperatura ambiente solo representan valores en régimen estacionario entre 20 y 25 °C, así que utiliza el valor correspondiente a tu temperatura de funcionamiento real.
Factores que influyen en la conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
La composición de la aleación y el tratamiento térmico determinan el valor de un tipo concreto; la temperatura de funcionamiento decide qué valor se aplica. La aleación hace que el valor de 205-237 W/m·K del aluminio puro se distribuya en los rangos de la serie, y el tratamiento térmico modifica ese valor dentro de un mismo tipo.
Cómo influyen los elementos de aleación en la conductividad térmica
Los elementos de aleación mejoran la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión o la conformabilidad, y todos ellos reducen la conductividad en mayor o menor medida:
- Cobre: gran aumento de la resistencia a costa de la conductividad real; la base de las aleaciones aeroespaciales de la serie 2xxx
- Silicio: buena fluidez para la fundición a presión, pero reduce claramente la conductividad en solución
- Magnesio: resistencia a la corrosión y soldabilidad; un mayor contenido implica una mayor conductividad, y los grados 5xxx con alto contenido en magnesio son los que más pierden
- Zinc: la fuente de la resistencia de la serie 7xxx y el mayor impedimento para la conductividad
El efecto es cuantificable: el aluminio puro tiene un valor de aproximadamente 237 W/m·K y el 6061-T6, de unos 167, lo que supone una diferencia de aproximadamente 40%.
Cómo influye el tratamiento térmico en la conductividad térmica
El valor de la misma aleación varía en función del estado de templado: el 6061-O tiene unos 180 W/m·K y el 6061-T6, unos 167. «O» es el estado recocido; «T4», «T5», «T6» y «T7» corresponden a diferentes tratamientos de solubilización y envejecimiento, y el estado de precipitación resultante modifica la conductividad. Compara siempre las fichas técnicas con el sufijo de estado de temple indicado.
El aluminio frente al cobre, el acero y otros conductores térmicos
Entre los metales comunes, la plata ocupa el primer lugar con unos 428 W/m·K; el cobre se sitúa entre 385 y 401; el aluminio, entre 205 y 237; y el acero inoxidable 304, solo entre 14 y 25.
Cuando el cobre supera al aluminio
El cobre conduce aproximadamente 2,3 veces más calor que el aluminio 6061 en estado estacionario, lo que lo convierte en la solución ideal en casos de alta densidad de potencia, en espacios reducidos y bajo un alto flujo térmico: disipadores delgados, barras colectoras y placas base de IGBT. El inconveniente es una densidad muy superior a la del aluminio y un precio del material más elevado. Cuando se combinan ambos, la solución híbrida habitual consiste en un cuerpo de aluminio con tubos o insertos de cobre: el cobre se encarga de la vía de alto flujo, mientras que el aluminio proporciona la estructura ligera.
El acero inoxidable 304 desempeña una función totalmente diferente: su conductividad es entre 1/10 y 1/15 de la del aluminio, y acero se elige por su resistencia a la corrosión y su dureza, no por su conductividad.
Normalizado por peso: el aluminio se lleva la palma
Si dividimos la conductividad entre la densidad, la situación da un giro. En el caso de diseños en los que el peso y el coste son factores clave, como los disipadores térmicos y las placas de refrigeración, esta comparación es la que realmente importa:
| Material | Conductividad (W/m·K) | Densidad (g/cm³) | k/ρ (W·cm³/(m·K·g)) | Función |
|---|---|---|---|---|
| Aluminio puro | 205–237 | 2.70 | 62–76 | Disipadores térmicos, placas de refrigeración, intercambiadores; ventaja en cuanto al peso |
| Cobre | 385–401 | 8.96 | 43-45 | Aplicaciones de alta potencia con limitaciones de espacio |
| Acero al carbono | 45-58 | 7.85 | 5,7–7,4 | Estructuras industriales de bajo coste |
| Acero inoxidable 304 | 14–25 | 8.00 | 1,9–3,8 | Resistencia a la corrosión y resistencia mecánica |
| Titanio | ≈ 22 | 4.51 | 4.9 | Reducción del peso en el sector aeroespacial |
La conductividad específica del aluminio es aproximadamente 1,4 veces mayor que la del cobre (62-76 frente a 43-45).
Aplicaciones industriales que aprovechan las propiedades térmicas del aluminio
El rendimiento térmico del aluminio se pone de manifiesto en los sectores del intercambio de calor y la refrigeración, la electrónica y la electricidad, así como en los sectores de la automoción y la aeronáutica; la refrigeración de componentes electrónicos es su principal categoría de aplicación.
Intercambiadores de calor y sistemas de refrigeración
Los intercambiadores de calor de placas con aletas y de tubos con aletas utilizan aluminio en los sectores de climatización, refrigeración y procesos industriales. Los radiadores de aluminio 3003/4343 soldados con soldadura fuerte han sustituido en gran medida a los diseños de cobre y latón, con un peso entre un 40 % y un 50 % menor, y la serie 3xxx combina la capacidad de conformado mediante soldadura fuerte con la resistencia a la corrosión para núcleos de intercambio de calor de gran volumen.
Aplicaciones electrónicas y eléctricas
La refrigeración de componentes electrónicos es la categoría más importante del aluminio: LED, servidores, electrónica de automoción y equipos industriales, normalmente con el 6063-T5; las barras colectoras eléctricas utilizan el 6101-T6. El aluminio destaca por la geometría de las aletas extruidas y su conductividad específica (k/ρ, superior a la del cobre; véase la tabla comparativa), pero la resistencia total del disipador térmico viene determinada tanto por la interfaz, la superficie de las aletas y el flujo de aire como por la conductividad del material; los diseños de alta potencia suelen incorporar tubos de calor o insertos de cobre.
Sector de la automoción y aeroespacial
La electrónica de automoción y la gestión térmica de las baterías de los vehículos eléctricos utilizan placas de aluminio refrigeradas, con aleaciones 6061-T6/6063-T6 que ofrecen un equilibrio entre resistencia y peso. Los intercambiadores de calor aeroespaciales sacrifican la conductividad en favor del peso, utilizando aleaciones 2024-T3/7075-T6.
Conclusión
El proceso de selección es sencillo: primero hay que fijar la temperatura de funcionamiento y el flujo térmico; a continuación, los requisitos mecánicos; y, por último, determinar la calidad del material en función del valor y el coste. Tenga en cuenta la conductividad a la temperatura real de servicio; evalúe el cobre o los híbridos de cobre y aluminio a alta potencia; utilice el 6061-T6 cuando la pieza deba soportar carga y el 6063-T5 o el 1100 para perfiles puramente térmicos; evite los recubrimientos gruesos en las vías de calor y compare las fichas técnicas con los sufijos de temple indicados.
Si tu pieza térmica tiene que ser fundido o mecanizado En cuanto al volumen, envíanos el plano; calcularemos la categoría arancelaria y el coste en función de tus obligaciones reales.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la conductividad térmica del aluminio?
El aluminio puro tiene una conductividad térmica de entre 205 y 237 W/m·K; las aleaciones más comunes oscilan entre unos 117 y 218 W/m·K, dependiendo del tipo y del estado de endurecimiento.
¿Cuál es la conductividad térmica del aluminio 6061?
El 6061-T6 tiene una conductividad térmica de aproximadamente 167 W/m·K; el 6063-T5, de entre 200 y 209 W/m·K.
¿Qué material conduce mejor el calor, el aluminio o el cobre?
El cobre conduce entre un 60 y un 70% más en estado estacionario, pero, por unidad de masa, el aluminio disipa aproximadamente 1,4 veces más calor.
¿Qué material conduce mejor el calor, el aluminio o el acero inoxidable?
El aluminio es entre 10 y 15 veces mejor conductor que el acero inoxidable 304 (205-237 frente a 14-25 W/m·K); el acero inoxidable se elige por su resistencia a la corrosión y su solidez, no por su conductividad.
¿Por qué las aleaciones de aluminio conducen menos calor que el aluminio puro?
Los elementos de aleación se disuelven en la red cristalina y se convierten en centros de dispersión, lo que acorta el recorrido libre medio de los electrones libres. La serie 1xxx presenta valores de entre 222 y 237 W/m·K; la serie 7xxx desciende hasta valores de entre 125 y 157 W/m·K.
