- Jim Wilson
Termisk diffusivitet er et mål for et materiales transiente termiske respons på en temperaturændring, og udtrykket termisk diffusivitet (α) er defineret somα= k/(ρ x cp)
| hvor | |
| k er den termiske ledningsevne (W/m-K) | |
| ρ er densiteten (kg/m3) | |
| cp er varmekapaciteten (J/kg-K) |
Det skal bemærkes, at hver af disse størrelser kan variere med temperaturen. Termisk diffusivitet er en praktisk samling af fysiske egenskaber for transiente løsninger af varmeligningen. For et homogent materiale med konstante egenskaber udtrykkes varmeligningen (1) med tre fysiske egenskaber som (2) med kun én koefficient.
Et materiale med en høj termisk diffusivitet (f.eks. sølv) er en god diffuser af varmeenergi, mens et materiale med en lav termisk diffusivitet (f.eks. plast) er meget langsommere til at diffundere varmeenergi. Hvis det termiske miljø omkring et materiale ændrer sig, skal varmen strømme ind eller ud af materialet, indtil der er opnået termisk ligevægt, idet det antages, at miljøet er konstant efter ændringen. Materialer med en høj termisk diffusivitet vil opnå termisk ligevægt hurtigere end materialer med lav termisk diffusivitet.
Figur 1. Varmeledningsevne versus termisk diffusivitet for en lang række homogene materialer (lukkede cirkler, metaller; firkanter, keramik; trekanter, glas; åbne firkanter, polymerer; åbne cirkler, væsker; og krydser, gasser) .
Figur 1 sammenligner den termiske ledningsevne med den termiske diffusivitet for en lang række materialer. Bemærk, at de datapunkter, der er noteret som kondenseret stof, kan beskrives som værende nær en ret linje. Det skyldes, at intervallet for varmekapacitet pr. volumenenhed for kondenseret stof (væsker og faste stoffer) er lille (intervallet for varmekapacitet pr. volumen for kondenseret stof er fra 1×10-6 J/m3 -K til 4×10-6 J/m3-K). Med hensyn til termisk diffusivitet er gasser og kondenseret stof forskellige. Luft har f.eks. en lav varmeledningsevne, men en relativt høj termisk diffusivitet � det betyder, at selv om luft kun kan optage en relativt lille mængde varmeenergi, er den effektiv til at sprede energien.
Termisk ledningsevne er et mål for den varmestrøm i et materiale, der er resultatet af en temperaturforskel. For at opnå nøjagtige målinger af varmeledningsevnen ved stationære forhold er det nødvendigt at kende både varmestrømmen og temperaturerne og desuden, at disse forhold ikke ændrer sig i tid. Tidskravene og de iboende vanskeligheder ved at foretage nøjagtige målinger har ført til udvikling af transiente teknikker til måling af egenskaber. Varmekapacitet og massefylde er forholdsvis lette at måle og endda at forudsige, når man tager udgangspunkt i de materialer, der indgår i dem. De kan også måles på små prøver. En måling af termisk diffusivitet giver mulighed for at udtrække varmeledningsevne. Ved måling af termisk diffusivitet er det nødvendigt at måle tiden, men det er ikke vanskeligt at foretage en nøjagtig tidsmåling. Måling af termiske egenskaber ved hjælp af en flash-teknik blev første gang beskrevet i 1960 af Parker et al. fra U.S. Navy Radiological Defense Laboratory . Yderligere bestræbelser har forbedret disse måleteknikker til veletablerede metoder til måling af materialeegenskaber .
Enhederne for termisk diffusivitet er længde2/tid, og et almindeligt sæt SI-enheder er m2/sek (brugen af cm eller mm som længdeskala er hyppig, da det gør det muligt at rapportere værdier tættere på værdien et). Tabel 1 indeholder en liste over termiske diffusiviteter for udvalgte materialer ved stuetemperatur (300 K). Som det er tilfældet med varmeledningsevne, er det almindeligt med betydelige variationer i de rapporterede værdier.
Tabel 1. Termisk diffusivitet for udvalgte materialer
|
- Salazar, A., “On Thermal Diffusivity,” European Journal of Physics, 24, 2003.
- Parker, W. et al., “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.
