Esta es una pregunta técnica muy específica, y la respuesta consistiría en dos gráficos: conductividad térmica k vs. temperatura T para nitrógeno y oxígeno. Cada gráfico tendría múltiples curvas para diferentes presiones. Desafortunadamente no puedo encontrar tales gráficos en línea. Además, eso es algo aburrido para otros lectores, así que voy a divagar por un tiempo.
Introducción y advertencias
Un reciente meta-estudio NIST que combinó varios cientos de estudios previos sobre la viscosidad de N2, O2, Ar y aire, se puede encontrar en [1]. (Un comentario aparte: el esfuerzo del NIST y otros laboratorios nacionales en el desarrollo de bases de datos precisas y disponibles públicamente de propiedades químicas y físicas es una de las grandes contribuciones de los Estados Unidos al mundo que las personas no técnicas ni siquiera conocen. Este particular ¡El estudio tomó diez años de esfuerzo!)
- ¿Cuál es el período de tiempo de un péndulo de longitud infinita?
- Física: si dejo caer una pequeña bola en un lago, la pequeña bola puede flotar en el agua. ¿Se puede lavar a la orilla arrojando piedras al agua y creando olas?
- ¿Cuáles son las unidades utilizadas para medir la velocidad angular? ¿Cómo se desarrollaron?
- Si no solo giramos, sino que orbitan, ¿somos más ligeros por la noche?
- ¿Qué es una órbita de calibre en el contexto de la cuantización integral de trayectoria de las teorías de calibre abelianas / no abelianas (por ejemplo, QCD) utilizando el método Faddeev-Popov?
Entonces, una nota muy importante por adelantado: en un gas a presión atmosférica o mayor, la convección (calor transportado por el movimiento del fluido) generalmente dominará sobre la conducción (calor transferido a través del fluido por colisiones intermoleculares ) como una transferencia de calor mecanismo. Entonces, si tiene dos superficies, una caliente y otra fría, separadas por algo de gas, y calcula la transferencia de calor solo por conducción, subestimará drásticamente la verdadera transferencia de calor, que estará dominada por la convección.
De: http://www.ghaley.com/heattransf…
El aire (y otros gases) en realidad tienen una conductividad térmica muy baja, es solo que convencen muy bien el calor. Esta es la razón por la cual el aislamiento está compuesto por muchas celdas pequeñas que evitan que el aire se mueva mucho (este aire que no puede convencer se conoce como aire muerto ). Los mejores materiales aislantes, como el bateo de fibra de vidrio o el aerogel (mucho mejor, pero más delicado y costoso), tienen mucho aire muerto y no mucho material sólido a través del cual pueda conducir el calor.
Bateo de fibra de vidrio : comúnmente utilizado para aislar casas.
Aerogel : el mejor material aislante del mundo. Algunas veces referido como “humo sólido”. Con una densidad de solo 1.9 mg / cm ^ 3, es apenas más pesado que el aire. De hecho, ¡la mayor parte es el aire dentro de los poros! (El aire a presión y temperatura estándar tiene una densidad de 1.2 mg / cm ^ 3.) Si lo hace en vacío, en realidad pesa menos que el aire.
Al medir la conductividad térmica de los gases, los investigadores deben hacer un esfuerzo considerable para eliminar la transferencia de calor por convección y radiación; Puedes leer todo sobre esto en la introducción de Faubert y Springer (1972) [2]. Aquí está el aparato que se utilizó (esto fue para nitrógeno a presión atmosférica):
Esto puede no referirse al aparato de última generación para realizar estas mediciones de conductividad térmica. ¿Quizás alguien activo en el campo podría comentar sobre esto? ¿O ya se hacen estas cosas en los departamentos de ingeniería mecánica? La mayoría de las referencias que uno encuentra son de esfuerzos heroicos en los años sesenta y ochenta.
Otra cosa: no es tan fácil presentar los resultados en forma de un gráfico simple, porque la conductividad térmica y otras propiedades de los gases dependen tanto de la temperatura como de la presión del gas . Entonces podemos presentar una ecuación (con dos variables independientes) para la conductividad térmica, o un gráfico de (digamos) conductividad térmica vs. temperatura a una sola presión.
Y una advertencia final: no parece haber datos de hasta 5000 K sobre las propiedades termofísicas de los gases que solicitó. ¡Intenta imaginar la dificultad de trabajar con gases a esa temperatura! El acero al carbono hierve a temperaturas 1700 K más bajas que eso. ¿Cómo se calienta algo tan caliente? Me imagino pasándolo a través de un arco eléctrico. Así que imagine tratar de contener el gas que sale de un cortador de plasma o un soldador de arco, y luego medir sus propiedades.
De: http://www.tsmhouston.com/cnc-pl…
Dicho todo esto, este es un problema importante, por lo que la gente lo ha estado estudiando durante mucho tiempo. Presentaré a continuación algo de lo que sabemos sobre la conductividad térmica del nitrógeno y el oxígeno.
Nitrógeno a presión atmosférica
Según la Tabla VI en el informe NIST [1], los datos sobre la conductividad térmica del nitrógeno a presión atmosférica (0.1 MPa) solo alcanzan aproximadamente 2500 K. Estas mediciones fueron hechas por Faubert & Springer [2] en UM Ann Arbor y allá por 1972 (hasta 2000 K) y luego por Saxena & Chen [3] en la Universidad de Illinois en Chicago en 1975 (hasta 2520 K).
Desafortunadamente, no tengo acceso en línea al artículo de Saxena & Chen (y por mucho que me guste Quora, no voy a las pilas de Hayden para buscar datos termofísicos antiguos), pero aquí están los resultados de Faubert & Springer en conductividad térmica de nitrógeno hasta 2000 K: 
Me encantan las unidades que no son SI y la notación “unidades × 10 ^ X” en los ejes, lo cual es un poco confuso porque no sabes si se supone que debes multiplicar el número que ves por 10 ^ X, o si lo hicieron que hacer el eje (en este caso, es el último). Tiempos embriagadores, 1972.
De todos modos, para hacer una trama más comprensible, podemos tomar su ecuación 11c:
[matemáticas] \ lambda_ {N2} = 0.802 \ veces 10 ^ {- 5} + 0.155 \ veces 10 ^ {- 6} T – 0.100 \ veces 10 ^ {- 10} T ^ {2} [/ matemáticas]
donde T está en kelvin, y lambda (conductividad térmica) está en cal / (s cm K). Tenga en cuenta que hoy usualmente usamos k para conductividad térmica, no lambda. Tenga en cuenta también que estas son calorías termofísicas, también conocidas como “calorías pequeñas” (1 cal = 4.184 J), no las “calorías grandes” que usamos para los alimentos, que en realidad son kilocalorías (1 kcal = 4184 J). Usando unidades SI (W / m K), obtenemos lo siguiente:
Compare eso con la conductividad térmica del aire (principalmente N2) a temperatura ambiente y presión atmosférica, que es 0.024 W / (m K). Puede ver que aumenta con la temperatura, como se esperaría de un gas, donde las colisiones intermoleculares ocurren con mayor frecuencia cuando esas moléculas rebotan más rápidamente ( es decir, a una temperatura más alta).
Oxígeno a presión atmosférica
Una vez más, nos fijamos en la Tabla VI del documento NIST [1]. Lo primero que notamos es que hay muchos menos estudios sobre la conductividad térmica del oxígeno a alta temperatura y / o presión. Supongo que esto se debe a que el oxígeno a alta temperatura / alta presión tiende a oxidar todo. ¡Estos experimentos son probablemente muy difíciles de hacer de manera segura!
De todos modos, parece que existen datos de hasta 1600 K, nuevamente de un estudio realizado en la década de 1970 por nuestro amigo Satish C. Saxena en el Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Illinois en Chicago Circle [4]. Además, es muy interesante cuántas universidades estadounidenses crearon departamentos y centros de estudio con nombres como “ingeniería energética”, “eficiencia energética”, “investigación energética”, etc. en la década de 1970 en respuesta a la primera crisis petrolera (1973) . Luego, todo eso desapareció en la década de 1980 cuando el precio del petróleo volvió a bajar y Reagan estaba en el poder. Ahora todo ha vuelto de nuevo en los últimos diez años.
Desafortunadamente, como se señaló anteriormente, el MIT es demasiado barato para comprar acceso electrónico al catálogo completo de Física Molecular :
Hay una referencia anterior [5], que tiene datos sobre O2 a presión atmosférica de hasta 1500 K, nuevamente por el Dr. Saxena, pero fue publicada en una oscura serie de referencia ( Progress in Astronautics and Aeronautics ) por la AIAA, y yo tampoco tengo acceso en línea a eso.
Un artículo de 1982 [6] del investigador del NIST (entonces llamado National Bureau of Standards) Hans M. Roder da algunas curvas agradables para k de oxígeno a varias densidades, pero solo a temperatura ambiente y más frío (77-310 K). Aquí está la Figura 3 de ese documento:
Tenga mucho cuidado al interpretar este gráfico; el eje y está desplazado para cada curva (ya que de lo contrario estarían casi una encima de la otra).
Al final, no puedo obtener acceso (sin ir a la biblioteca real, ugh ) a ninguno de los documentos originales que dan conductividad térmica para el oxígeno a alta temperatura. Algunas otras opciones se dan en mi última sección a continuación.
Conductividad térmica de N2 y O2 a otras temperaturas y presiones.
Para cubrir el rango completo de temperaturas, y también para obtener la conductividad térmica del nitrógeno molecular y el oxígeno a otras presiones, debe ir a la Sección 2 del documento NIST [1]. Contiene una serie de fórmulas que expresan la conductividad térmica para N2 y O2 (y Ar) en términos de potencias de temperatura y presión. No tiene sentido reproducir estas ecuaciones aquí, ya que puede ir solo al PDF gratuito (vinculado a continuación en la lista de referencias).
Estas ecuaciones son complicadas y le llevará algún tiempo con una hoja de cálculo de Excel para convertirse en un gráfico utilizable.
Sin embargo, estoy seguro de que toda esta información está disponible en un buen libro de referencia o (más probablemente) software, organizado de manera mucho más inteligente y clara que mi respuesta aquí. Esperemos que algún buen ingeniero de la NASA o alguien que trabaje en la gasificación del carbón o algo más donde esta información sea necesaria, pueda intervenir con la referencia.
¡Espero que esto ayude!
Referencias
[1] Lemmon, EW y Jacobsen, RT (2004). “Ecuaciones de viscosidad y conductividad térmica para nitrógeno, oxígeno, argón y aire”. Revista internacional de termofísica , 25 (1), 21-69. doi: 10.1023 / B: IJOT.0000022327.04529.f3 (PDF gratuito en línea en: http://www.boulder.nist.gov/div8…)
[2] Faubert, FM y Springer, GS (1972). “Medición de la conductividad térmica de argón, criptón y nitrógeno en el rango de 800–2000 ° K”, Journal of Chemical Physics 57 (6), 2333–2340. doi: 10.1063 / 1.1678589
[3] Saxena, SC y Chen, SHP (1975). “Conductividad térmica del nitrógeno en el rango de temperatura 350–2500 K”. Molecular Physics 29 (5), 1507-1519. doi: 10.1080 / 00268977500101321
[4] Jain, PC y Saxena, SC (1977). “Conductividad térmica y coeficiente de difusión efectivo para energía vibracional: oxígeno (400–1600 K)”. Física molecular 33 (1), 133–138. doi: 10.1080 / 00268977700103111
[5] Saxena, SC y Gupta, GP (1970). “El método de columna para medir la conductividad térmica de los gases: resultados de monóxido de carbono y oxígeno en el rango de temperatura de 350 a 1500 K”. Progreso en Astronáutica y Aeronáutica 23 , p. 45)
[6] Roder, HM (1982). “La conductividad térmica del oxígeno”. Revista de Investigación de la Oficina Nacional de Normas 82 (4), 279–310. url: http: //nistdigitalarchives.conte…