- Jim Wilson
La diffusività termica è una misura della risposta termica transitoria di un materiale a un cambiamento di temperatura e il termine diffusività termica (α) è definito comeα= k/(ρ x cp)
| dove | α è la diffusività termica (m2/sec) |
| k è la conduttività termica (W/m-K) | |
| ρ è la densità (kg/m3) | |
| cp è la capacità termica (J/kg-K) |
Si noti che ciascuna di queste quantità può variare con la temperatura. La diffusività termica è un insieme conveniente di proprietà fisiche per le soluzioni transitorie dell’equazione del calore. Per un materiale omogeneo con proprietà costanti, l’equazione del calore (1) con tre proprietà fisiche è espressa come (2) con un solo coefficiente.
Un materiale con un’alta diffusività termica (come l’argento) è un buon diffusore di energia termica mentre un materiale con una bassa diffusività termica (come la plastica) è molto più lento a diffondere l’energia termica. Se l’ambiente termico intorno a un materiale cambia, il calore deve fluire dentro o fuori il materiale fino a quando si raggiunge l’equilibrio termico, assumendo che l’ambiente sia costante dopo il cambiamento. I materiali con un’alta diffusività termica raggiungeranno l’equilibrio termico più velocemente dei materiali con bassa diffusività termica.
Figura 1. Conducibilità termica contro diffusività termica per un’ampia varietà di materiali omogenei (cerchi chiusi, metalli; quadrati, ceramiche; triangoli, vetri; quadrati aperti, polimeri; cerchi aperti, liquidi; e croci, gas).
La figura 1 confronta la conduttività termica con la diffusività termica per un’ampia gamma di materiali. Si noti che i punti di dati notati come materia condensata possono essere descritti come vicini a una linea retta. Questo perché la gamma di capacità termica per unità di volume per la materia condensata (liquidi e solidi) è piccola (la gamma di capacità termica per volume per la materia condensata è da 1×10-6 J/m3 -K a 4×10-6 J/m3-K). Per quanto riguarda la diffusività termica, i gas e la materia condensata sono diversi. Per esempio, l’aria ha una bassa conduttività termica ma una diffusività termica relativamente alta � questo significa che mentre l’aria può assorbire solo una quantità relativamente piccola di energia termica, è efficace nel diffondere l’energia.
La conduttività termica è una misura del flusso di calore in un materiale risultante da una differenza di temperatura. Ottenere misure accurate di conduttività termica in condizioni stazionarie richiede di conoscere sia il flusso di calore che le temperature e, inoltre, che queste condizioni non cambino nel tempo. I requisiti di tempo e la difficoltà intrinseca nel fare misure accurate hanno portato allo sviluppo di tecniche transitorie per la misurazione della proprietà. La capacità termica e la densità sono relativamente facili da misurare e persino da prevedere, dati i materiali costituenti. Sono anche misurabili su campioni di piccole dimensioni. Una misura della diffusività termica fornisce un mezzo per estrarre la conduttività termica. Una misura di diffusività termica aggiunge la necessità di misurare il tempo, ma una misura accurata del tempo non è difficile. La misurazione delle proprietà termiche utilizzando una tecnica flash è stata descritta per la prima volta nel 1960 da Parker et al. del Laboratorio di Difesa Radiologica della Marina degli Stati Uniti. Ulteriori sforzi hanno migliorato queste tecniche di misurazione a metodi ben consolidati per le misurazioni delle proprietà dei materiali .
Le unità di diffusività termica sono lunghezza2/tempo e un insieme comune di unità SI è m2/sec (l’uso di cm o mm come scala di lunghezza è frequente in quanto consente la segnalazione di valori più vicini al valore uno). La tabella 1 elenca le diffusività termiche per materiali selezionati a temperatura ambiente (300 K). Come per la conduttività termica, una variazione significativa nei valori riportati è comune.
Tabella 1. Diffusività termica per materiali selezionati
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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.
