Calculadora de resistência térmica

A resistência térmica mede a oposição de um material ao fluxo de calor, de forma análoga à resistência elétrica na teoria de circuitos. Assim como a resistência elétrica (R = V/I) relaciona tensão e corrente, a resistência térmica (R_th = ΔT/Q) relaciona diferença de temperatura e taxa de fluxo de calor. Essa analogia é poderosa: combinações em série e em paralelo de resistências térmicas seguem as mesmas regras matemáticas das redes elétricas, permitindo analisar sistemas complexos de isolamento multicamada com aritmética simples de circuitos. A fórmula da resistência térmica de uma placa plana é R = L / (k × A), em que L é a espessura em metros, k é a condutividade térmica em W/(m·K) e A é a área da seção transversal em m². A unidade resultante é K/W (kelvin por watt). Depois que R é conhecido, a taxa de fluxo de calor em regime permanente é simplesmente Q = ΔT / R, em que ΔT é a diferença de temperatura através do material em kelvin. O gradiente de temperatura dentro do material é ΔT / L, em unidades de K/m. A condutividade térmica k caracteriza a capacidade intrínseca de um material de conduzir calor. O ar parado tem k ≈ 0.024 W/(m·K), o que o torna um excelente isolante — a base de produtos de isolamento de fibra de vidro e espuma, que prendem ar em pequenas células. Isolamentos de aerogel de alto desempenho alcançam k tão baixo quanto 0.015 W/(m·K). No outro extremo, o cobre tem k ≈ 400 W/(m·K) e é usado em dissipadores, tubos de calor e trocadores de calor quando a máxima transferência de calor é necessária. Aço (k ≈ 50), concreto (k ≈ 1.4) e madeira (k ≈ 0.12) ficam entre esses extremos. Na construção civil, o desempenho do isolamento costuma ser expresso como valor R (por unidade de área): R_spec = L / k em m²·K/W. Isso permite comparar diretamente diferentes espessuras e materiais de isolamento sem especificar a área da parede. Códigos de construção do Reino Unido e da Europa especificam valores U mínimos (U = 1/R_spec) para paredes, telhados e pisos. Uma parede com cavidade bem isolada no Reino Unido pode atingir U = 0.18 W/(m²·K), exigindo R_spec total > 5.5 m²·K/W. No resfriamento de eletrônicos, a resistência térmica é a métrica principal para escolher dissipadores e materiais de interface térmica. Um processador com dissipação de potência de 100 W e resistência junção-cápsula de 0.5 K/W terá a temperatura do die 50°C acima da temperatura da cápsula. Se o material de interface térmica e o dissipador adicionarem mais 1.5 K/W, a temperatura de junção sobe 150°C acima do ambiente, possivelmente excedendo a temperatura máxima nominal. Minimizar cada elemento da cadeia de resistência térmica do chip ao ambiente é essencial para um projeto eletrônico confiável.