- Jim Wilson
A termikus diffúziós képesség egy anyag hőmérsékletváltozásra adott átmeneti termikus válaszának mérőszáma, a termikus diffúziós képesség kifejezés (α) meghatározásaα= k/(ρ x cp)
| ahol | αa a hővezető képesség (m2/sec) |
| k a hővezető képesség (W/m-K) | |
| ρ a sűrűség (kg/m3) | |
| cp a hőkapacitás (J/kg-K) |
Megjegyzendő, hogy e mennyiségek mindegyike változhat a hőmérséklet függvényében. A termikus diffúziós képesség a fizikai tulajdonságok kényelmes gyűjteménye a hőegyenlet tranziens megoldásaihoz. Egy homogén, állandó tulajdonságokkal rendelkező anyag esetében az (1) hőegyenlet három fizikai tulajdonsággal a (2) egyenletként fejezhető ki, mindössze egy együtthatóval.
Egy nagy hődiffúziós képességű anyag (például az ezüst) jól terjeszti a hőenergiát, míg egy alacsony hődiffúziós képességű anyag (például a műanyag) sokkal lassabban terjeszti a hőenergiát. Ha egy anyagot körülvevő termikus környezet megváltozik, a hőnek be kell áramlania az anyagba vagy ki kell távoznia belőle, amíg a termikus egyensúly el nem áll be, feltételezve, hogy a környezet a változás után állandó marad. A nagy termikus diffúziós képességű anyagok gyorsabban elérik a termikus egyensúlyt, mint az alacsony termikus diffúziós képességű anyagok.
1. ábra. A hővezető képesség és a hővezetési diffúzió függvénye homogén anyagok széles skálájára (zárt körök, fémek; négyzetek, kerámiák; háromszögek, üvegek; nyitott négyzetek, polimerek; nyitott körök, folyadékok; és keresztek, gázok) .
Az 1. ábrán a hővezető képességet és a hővezetési diffúziót hasonlítják össze anyagok széles skálájára. Vegyük észre, hogy a kondenzált anyagként jegyzett adatpontok egy egyeneshez közeli egyenesnek írhatók le. Ennek az az oka, hogy a kondenzált anyagok (folyadékok és szilárd anyagok) térfogategységenkénti hőkapacitásának tartománya kicsi (a kondenzált anyagok térfogategységenkénti hőkapacitásának tartománya 1×10-6 J/m3 -K és 4×10-6 J/m3-K között van). A hővezető képesség tekintetében a gázok és a kondenzált anyagok különböznek egymástól. Például a levegőnek alacsony a hővezető képessége, de viszonylag magas a hővezető képessége � ez azt jelenti, hogy bár a levegő csak viszonylag kis mennyiségű hőenergiát képes felvenni, az energia diffúziójában hatékony.
A hővezető képesség az anyagban hőmérsékletkülönbség hatására fellépő hőáramlás mértékegysége. Pontos hővezetési mérések elvégzéséhez állandósult körülmények között mind a hőáram, mind a hőmérséklet ismerete szükséges, továbbá az, hogy ezek a körülmények időben ne változzanak. Az időigény és a pontos mérések elvégzésének nehézségei a tulajdonságok mérésére szolgáló tranziens technikák kifejlesztéséhez vezettek. A hőkapacitás és a sűrűség viszonylag könnyen mérhető, sőt az alkotóanyagok ismeretében meg is jósolható. Kis mintaméreteken is mérhetők. A termikus diffúziós képesség mérése a hővezető képesség kinyerésének eszköze. A hővezetési tényező mérése szükségessé teszi az idő mérését, de a pontos időmérés nem nehéz. A termikus tulajdonságok villanófényes technikával történő mérését először 1960-ban írta le Parker et al. az amerikai haditengerészet sugárvédelmi laboratóriumában. A további erőfeszítések ezeket a mérési technikákat az anyagi tulajdonságok mérésének jól bevált módszereivé fejlesztették .
A termikus diffúziós képesség mértékegységei a hossz2/idő, és az SI-egységek általános készlete a m2/sec (a cm vagy mm mint hosszskála használata gyakori, mivel ez lehetővé teszi az egy értékhez közelebbi értékek közlését). Az 1. táblázat a kiválasztott anyagok termikus diffúziós tényezőit tartalmazza szobahőmérsékleten (300 K). A hővezető képességhez hasonlóan a bejelentett értékek jelentős szórása gyakori.
1. táblázat. Termikus diffúziós képesség kiválasztott anyagokhoz
|
- 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.
A szerzőről
.
