- Jim Wilson
Tepelná difuzivita je měřítkem přechodné tepelné odezvy materiálu na změnu teploty a termín tepelná difuzivita (α) je definován jakoα= k/(ρ x cp)
| kde | αje tepelná difuzivita (m2/sec) |
| k je tepelná vodivost (W/m-K) | |
| ρ je hustota (kg/m3) | |
| cp je tepelná kapacita (J/kg-K) |
Je třeba poznamenat, že každá z těchto veličin se může měnit s teplotou. Tepelná difuzivita je vhodným souborem fyzikálních vlastností pro přechodné řešení rovnice tepla. Pro homogenní materiál s konstantními vlastnostmi je tepelná rovnice (1) se třemi fyzikálními vlastnostmi vyjádřena jako (2) s pouze jedním koeficientem.
Materiál s vysokou tepelnou difuzivitou (například stříbro) dobře šíří tepelnou energii, zatímco materiál s nízkou tepelnou difuzivitou (například plast) šíří tepelnou energii mnohem pomaleji. Pokud se tepelné prostředí v okolí materiálu změní, musí teplo proudit dovnitř nebo ven z materiálu, dokud není dosaženo tepelné rovnováhy za předpokladu, že prostředí je po změně konstantní. Materiály s vysokou tepelnou difuzivitou dosáhnou tepelné rovnováhy rychleji než materiály s nízkou tepelnou difuzivitou.
Obrázek 1: Materiály s vysokou tepelnou difuzivitou dosáhnou tepelné rovnováhy rychleji než materiály s nízkou tepelnou difuzivitou. Tepelná vodivost versus tepelná difuzivita pro širokou škálu homogenních materiálů (uzavřené kruhy – kovy, čtverce – keramika, trojúhelníky – skla, otevřené čtverce – polymery, otevřené kruhy – kapaliny a křížky – plyny) .
Obrázek 1 porovnává tepelnou vodivost s tepelnou difuzivitou pro širokou škálu materiálů. Všimněte si, že datové body označené jako kondenzované látky lze popsat jako blízké přímce. Je to proto, že rozsah tepelné kapacity na jednotku objemu pro kondenzované látky (kapaliny a pevné látky) je malý (rozsah tepelné kapacity na objem pro kondenzované látky je od 1×10-6 J/m3 -K do 4×10-6 J/m3-K). Pokud jde o tepelnou difuzivitu, plyny a kondenzované látky se liší. Například vzduch má nízkou tepelnou vodivost, ale relativně vysokou tepelnou difuzivitu � to znamená, že vzduch sice může absorbovat jen relativně malé množství tepelné energie, ale účinně ji rozptyluje.
Tepelná vodivost je mírou tepelného toku v materiálu, který je výsledkem rozdílu teplot. Získání přesných měření tepelné vodivosti za ustálených podmínek vyžaduje znalost jak tepelného toku, tak teplot a navíc, aby se tyto podmínky neměnily v čase. Časová náročnost a inherentní obtíže při provádění přesných měření vedly k vývoji přechodových technik pro měření vlastností. Tepelnou kapacitu a hustotu lze vzhledem k materiálům, z nichž jsou složeny, poměrně snadno měřit a dokonce předpovídat. Lze je také měřit na malých vzorcích. Měření tepelné difuzivity poskytuje možnost extrakce tepelné vodivosti. Měření tepelné difuzivity přidává potřebu měřit čas, ale přesné měření času není obtížné. Měření tepelných vlastností pomocí zábleskové techniky bylo poprvé popsáno v roce 1960 Parkerem a kol. z Laboratoře radiologické obrany amerického námořnictva . Dalším úsilím se tyto techniky měření zdokonalily na dobře zavedené metody měření materiálových vlastností .
Jednotkami tepelné difuzivity jsou délka2/čas a běžnou sadou jednotek SI je m2/s (časté je používání cm nebo mm jako délkové stupnice, protože umožňuje vykazovat hodnoty bližší hodnotě jedna). Tabulka 1 uvádí tepelné difuzivity vybraných materiálů při pokojové teplotě (300 K). Stejně jako u tepelné vodivosti jsou běžné značné rozdíly v uváděných hodnotách.
Tabulka 1. Tepelná difuzivita pro vybrané materiály
|
- Salazar, A., „On Thermal Diffusivity,“ European Journal of Physics, 24, 2003.
- Parker, W. a kol, „A Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity,“ Journal of Applied Physics, 32, 1961.
- ASTM E1461-01 Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method, ASTM International, www.astm.org.
- King, J., Material Handbook for Hybrid Microelectronics, Artec House, Norwood, Mass. 1988.
O autorovi
.
