- Jim Wilson
Die Temperaturleitfähigkeit ist ein Maß für die vorübergehende thermische Reaktion eines Materials auf eine Temperaturänderung, und der Begriff Temperaturleitfähigkeit (α) ist definiert alsα= k/(ρ x cp)
| wobei | α die Temperaturleitfähigkeit (m2/sec) |
| k die Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) | |
| ρ ist die Dichte (kg/m3) | |
| cp ist die Wärmekapazität (J/kg-K) |
Es ist zu beachten, dass jede dieser Größen mit der Temperatur variieren kann. Die Temperaturleitfähigkeit ist eine praktische Sammlung von physikalischen Eigenschaften für instationäre Lösungen der Wärmegleichung. Für ein homogenes Material mit konstanten Eigenschaften wird die Wärmegleichung (1) mit drei physikalischen Eigenschaften als (2) mit nur einem Koeffizienten ausgedrückt.
Ein Material mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit (z. B. Silber) ist ein guter Diffusor für thermische Energie, während ein Material mit einer niedrigen Temperaturleitfähigkeit (z. B. Kunststoff) viel langsamer bei der Diffusion von Wärmeenergie ist. Wenn sich die thermische Umgebung eines Materials ändert, muss Wärme in das Material hinein oder aus ihm heraus fließen, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist, vorausgesetzt, die Umgebung ist nach der Änderung konstant. Materialien mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit erreichen das thermische Gleichgewicht schneller als Materialien mit einer niedrigen Temperaturleitfähigkeit.
Abbildung 1. Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Temperaturleitfähigkeit für eine Vielzahl homogener Materialien (geschlossene Kreise, Metalle; Quadrate, Keramiken; Dreiecke, Gläser; offene Quadrate, Polymere; offene Kreise, Flüssigkeiten; und Kreuze, Gase).
Abbildung 1 vergleicht die Wärmeleitfähigkeit mit der Temperaturleitfähigkeit für eine breite Palette von Materialien. Man beachte, dass die Datenpunkte, die als kondensierte Materie bezeichnet werden, als nahe an einer Geraden liegend beschrieben werden können. Dies liegt daran, dass der Bereich der Wärmekapazität pro Volumeneinheit für kondensierte Materie (Flüssigkeiten und Feststoffe) klein ist (der Bereich der Wärmekapazität pro Volumen für kondensierte Materie liegt zwischen 1×10-6 J/m3-K und 4×10-6 J/m3-K). In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit unterscheiden sich Gase und kondensierte Materie. Luft hat beispielsweise eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, aber eine relativ hohe Temperaturleitfähigkeit � das bedeutet, dass Luft zwar nur eine relativ geringe Menge an Wärmeenergie aufnehmen kann, aber die Energie effektiv weiterleitet.
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für den Wärmestrom in einem Material, der sich aus einem Temperaturunterschied ergibt. Um genaue Messungen der Wärmeleitfähigkeit unter stationären Bedingungen zu erhalten, müssen sowohl der Wärmestrom als auch die Temperaturen bekannt sein, und außerdem müssen diese Bedingungen zeitlich unveränderlich sein. Die zeitlichen Anforderungen und die inhärenten Schwierigkeiten bei der Durchführung genauer Messungen haben zur Entwicklung von instationären Verfahren zur Messung von Eigenschaften geführt. Die Wärmekapazität und die Dichte lassen sich relativ leicht messen und sogar vorhersagen, wenn man die Bestandteile des Materials kennt. Sie lassen sich auch an kleinen Probengrößen messen. Die Messung der Temperaturleitfähigkeit ermöglicht die Extraktion der Wärmeleitfähigkeit. Bei der Messung der Temperaturleitfähigkeit muss zusätzlich die Zeit gemessen werden, aber eine genaue Zeitmessung ist nicht schwierig. Die Messung der thermischen Eigenschaften mit Hilfe einer Blitztechnik wurde erstmals 1960 von Parker et al. vom U.S. Navy Radiological Defense Laboratory beschrieben. Durch weitere Bemühungen wurden diese Messverfahren zu gut etablierten Methoden für die Messung von Materialeigenschaften verbessert.
Die Einheiten für die Temperaturleitfähigkeit sind Länge2/Zeit, und eine gängige SI-Einheit ist m2/sec (die Verwendung von cm oder mm als Längenskala ist häufig, da sie die Angabe von Werten ermöglicht, die näher am Wert 1 liegen). In Tabelle 1 sind die Wärmediffusivitäten für ausgewählte Materialien bei Raumtemperatur (300 K) aufgeführt. Wie bei der Wärmeleitfähigkeit sind erhebliche Schwankungen bei den angegebenen Werten üblich.
Tabelle 1. Thermische Diffusivität für ausgewählte Materialien
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- 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.
