- Jim Wilson
Dyfuzyjność cieplna jest miarą przejściowej reakcji termicznej materiału na zmianę temperatury, a termin dyfuzyjność cieplna (α) definiuje się jakoα= k/(ρ x cp)
| gdzie | α jest dyfuzyjnością cieplną (m2/sek) |
| k jest przewodnością cieplną (W/m-K) | |
| ρ jest gęstością (kg/m3) | |
| cp jest pojemnością cieplną (J/kg-K) |
Należy zauważyć, że każda z tych wielkości może zmieniać się wraz z temperaturą. Dyfuzyjność cieplna jest wygodnym zbiorem właściwości fizycznych dla przejściowych rozwiązań równania cieplnego. Dla jednorodnego materiału o stałych właściwościach, równanie ciepła (1) z trzema właściwościami fizycznymi jest wyrażone jako (2) z tylko jednym współczynnikiem.
Materiał o wysokiej dyfuzyjności cieplnej (taki jak srebro) jest dobrym dyfuzorem energii cieplnej, podczas gdy materiał o niskiej dyfuzyjności cieplnej (taki jak plastik) jest znacznie wolniejszy w dyfuzji energii cieplnej. Jeśli środowisko termiczne wokół materiału zmienia się, ciepło musi wpływać lub wypływać z materiału, aż do osiągnięcia równowagi termicznej, zakładając, że środowisko jest stałe po zmianie. Materiały o wysokiej dyfuzyjności cieplnej osiągną równowagę cieplną szybciej niż materiały o niskiej dyfuzyjności cieplnej.
Rysunek 1. Przewodność cieplna a dyfuzyjność cieplna dla szerokiej gamy materiałów jednorodnych (zamknięte okręgi, metale; kwadraty, ceramika; trójkąty, szkło; otwarte kwadraty, polimery; otwarte okręgi, ciecze; i krzyżyki, gazy) .
Rysunek 1 porównuje przewodność cieplną z dyfuzyjnością cieplną dla szerokiej gamy materiałów. Zauważ, że punkty danych oznaczone jako materia skondensowana mogą być opisane jako zbliżone do linii prostej. Dzieje się tak dlatego, że zakres pojemności cieplnej na jednostkę objętości dla materii skondensowanej (cieczy i ciał stałych) jest niewielki (zakres pojemności cieplnej na jednostkę objętości dla materii skondensowanej wynosi od 1×10-6 J/m3 -K do 4×10-6 J/m3-K). Pod względem dyfuzyjności cieplnej, gazy i materia skondensowana różnią się od siebie. Na przykład, powietrze ma niską przewodność cieplną, ale stosunkowo wysoką dyfuzyjność cieplną � oznacza to, że chociaż powietrze może zaabsorbować tylko stosunkowo niewielką ilość energii cieplnej, jest skuteczne w rozpraszaniu energii.
Przewodność cieplna jest miarą przepływu ciepła w materiale wynikającą z różnicy temperatur. Uzyskanie dokładnych pomiarów przewodności cieplnej w warunkach stanu ustalonego wymaga znajomości zarówno strumienia ciepła, jak i temperatury oraz dodatkowo, aby warunki te były niezmienne w czasie. Wymogi czasowe i nieodłączne trudności w wykonywaniu dokładnych pomiarów doprowadziły do rozwoju technik przejściowych do pomiaru właściwości. Pojemność cieplna i gęstość są stosunkowo łatwe do zmierzenia, a nawet do przewidzenia, biorąc pod uwagę materiały składowe. Można je również mierzyć na próbkach o niewielkich rozmiarach. Pomiar dyfuzyjności cieplnej pozwala na wyodrębnienie przewodności cieplnej. Pomiar dyfuzyjności cieplnej wymaga dodatkowo pomiaru czasu, ale dokładny pomiar czasu nie jest trudny. Pomiar właściwości termicznych przy użyciu techniki błyskowej został po raz pierwszy opisany w 1960 r. przez Parkera et al. z Laboratorium Obrony Radiologicznej Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Dalsze wysiłki udoskonaliły te techniki pomiarowe do dobrze ugruntowanych metod pomiaru własności materiałowych .
Jednostkami dyfuzyjności cieplnej są długość2/czas, a powszechnie stosowanym zestawem jednostek SI jest m2/s (użycie cm lub mm jako skali długości jest częste, gdyż pozwala na raportowanie wartości bliższych wartości pierwszej). W tabeli 1 zestawiono dyfuzyjność cieplną dla wybranych materiałów w temperaturze pokojowej (300 K). Podobnie jak w przypadku przewodności cieplnej, znaczna zmienność podawanych wartości jest powszechna.
Tablica 1. Thermal Diffusivity for Selected Materials
|
- 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.
About the Author
.
