- Jim Wilson
Lämpödiffuusiokyky mittaa materiaalin ohimenevää lämpövastetta lämpötilan muutokseen ja termi lämpödiffuusiokyky on (α) määritellään seuraavastiα= k/(ρ x cp)
| missä | αon lämpödiffuusiokyky (m2/sek) |
| k on lämmönjohtavuus (W/m-K) | |
| ρ on tiheys (kg/m3) | |
| cp on lämpökapasiteetti (J/kg-K) |
On huomattava, että kukin näistä suureista voi vaihdella lämpötilan mukaan. Terminen diffuusiokyky on kätevä kokoelma fysikaalisia ominaisuuksia lämpöyhtälön transienttiratkaisuja varten. Homogeeniselle materiaalille, jolla on vakio-ominaisuudet, lämpöyhtälö (1), jossa on kolme fysikaalista ominaisuutta, ilmaistaan muodossa (2), jossa on vain yksi kerroin.
Materiaali, jolla on korkea lämpödiffuusiokyky (kuten hopea), on hyvä lämpöenergian levittäjä, kun taas materiaali, jolla on matala lämpödiffuusiokyky (kuten muovi), levittää lämpöenergiaa paljon hitaammin. Jos materiaalia ympäröivä lämpöympäristö muuttuu, lämmön on virrattava materiaaliin tai materiaalista ulos, kunnes lämpötasapaino on saavutettu, olettaen, että ympäristö on muutoksen jälkeen vakio. Materiaalit, joilla on suuri lämpödiffuusiokyky, saavuttavat lämpötasapainon nopeammin kuin materiaalit, joilla on pieni lämpödiffuusiokyky.
Kuva 1. Lämmönjohtavuus verrattuna lämpödiffuusiokykyyn monenlaisille homogeenisille materiaaleille (suljetut ympyrät, metallit; neliöt, keramiikka; kolmiot, lasit; avoimet neliöt, polymeerit; avoimet ympyrät, nesteet; ja ristit, kaasut) .
Kuvassa 1 verrataan lämmönjohtavuutta lämpödiffuusiokykyyn monenlaisille materiaaleille. Huomaa, että kondensoituneeksi aineeksi merkittyjä datapisteitä voidaan kuvata olevan lähellä suoraa viivaa. Tämä johtuu siitä, että lämpökapasiteetin vaihteluväli tilavuusyksikköä kohti on tiivistyneissä aineissa (nesteissä ja kiinteissä aineissa) pieni (lämpökapasiteetin vaihteluväli tilavuusyksikköä kohti on tiivistyneissä aineissa 1×10-6 J/m3 -K:sta 4×10-6 J/m3-K:een). Lämpödiffuusiokyvyn suhteen kaasut ja tiivistyneet aineet eroavat toisistaan. Esimerkiksi ilmalla on alhainen lämmönjohtavuus mutta suhteellisen korkea lämpödiffuusiokyky � tämä tarkoittaa sitä, että vaikka ilma voi absorboida vain suhteellisen pienen määrän lämpöenergiaa, se pystyy kuitenkin tehokkaasti hajottamaan energiaa.
Lämmönjohtavuus on mitta, jolla mitataan lämpötilaerosta johtuvaa lämpövirtausta materiaalissa. Tarkkojen lämmönjohtavuusmittausten saaminen pysyvissä olosuhteissa edellyttää sekä lämpövirran että lämpötilojen tuntemista ja lisäksi sitä, että nämä olosuhteet eivät muutu ajassa. Aikavaatimukset ja tarkkojen mittausten tekemiseen liittyvät vaikeudet ovat johtaneet ominaisuuksien mittaamiseen käytettävien transienttitekniikoiden kehittämiseen. Lämpökapasiteetti ja tiheys ovat suhteellisen helposti mitattavissa ja jopa ennustettavissa, kun otetaan huomioon, mistä materiaaleista ne koostuvat. Ne ovat myös mitattavissa pienillä näytemäärillä. Lämpödiffuusiokyvyn mittauksen avulla voidaan määrittää lämmönjohtavuus. Lämpödiffuusiokyvyn mittaaminen lisää tarpeen mitata aikaa, mutta tarkka ajan mittaus ei ole vaikeaa. Lämpöominaisuuksien mittaaminen flash-tekniikalla kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 1960 Yhdysvaltain laivaston radiologisen puolustuslaboratorion Parkerin ja muiden toimesta. Myöhemmät ponnistelut ovat parantaneet näitä mittaustekniikoita vakiintuneiksi materiaaliominaisuuksien mittausmenetelmiksi .
Lämpödiffuusiokyvyn yksiköt ovat pituus2/aika, ja yleinen SI-yksikkösarja on m2/sek (cm:n tai mm:n käyttö pituusskaalana on yleistä, koska se mahdollistaa arvojen ilmoittamisen lähempänä ykköstä olevaa arvoa). Taulukossa 1 luetellaan tiettyjen materiaalien lämpödiffuusiokertoimet huoneenlämmössä (300 K). Kuten lämmönjohtavuuden kohdalla, ilmoitettujen arvojen merkittävä vaihtelu on yleistä.
Taulukko 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 (Standarditestimenetelmä kiinteän aineen lämpötiheyden määrittämiseksi flash-menetelmällä), ASTM International, www.astm.org.
- King, J., Material Handbook for Hybrid Microelectronics (Materiaalikäsikirja hybridi-mikroelektroniikkaa varten), Artec House, Norwood, Mass., 1988.
Tekijästä
.
