- Jim Wilson
De thermische diffusiviteit is een maat voor de transiënte thermische respons van een materiaal op een verandering in temperatuur en de term thermische diffusiviteit (α) is gedefinieerd alsα= k/(ρ x cp)
| waar | α de thermische diffusiviteit is (m2/sec) |
| k de thermische geleidbaarheid (W/m-K) | |
| ρ is de dichtheid (kg/m3) | |
| cp is de warmtecapaciteit (J/kg-K) |
Er zij op gewezen dat elk van deze grootheden kan variëren met de temperatuur. De thermische diffusiviteit is een handige verzameling fysische eigenschappen voor transiënte oplossingen van de warmtevergelijking. Voor een homogeen materiaal met constante eigenschappen wordt de warmtevergelijking (1) met drie fysische eigenschappen uitgedrukt als (2) met slechts één coëfficiënt.
Een materiaal met een hoge thermische diffusiviteit (zoals zilver) is een goede diffusor van thermische energie terwijl een materiaal met een lage thermische diffusiviteit (zoals kunststof) veel langzamer is in het diffuseren van thermische energie. Als de thermische omgeving rond een materiaal verandert, moet warmte in of uit het materiaal stromen totdat een thermisch evenwicht is bereikt, ervan uitgaande dat de omgeving na de verandering constant is. Materialen met een hoge thermische diffusiviteit zullen sneller een thermisch evenwicht bereiken dan materialen met een lage thermische diffusiviteit.
Figuur 1. Thermische geleiding versus thermische diffusie voor een groot aantal homogene materialen (gesloten cirkels, metalen; vierkanten, keramiek; driehoeken, glazen; open vierkanten, polymeren; open cirkels, vloeistoffen; en kruisjes, gassen).
Figuur 1 vergelijkt de thermische geleiding met de thermische diffusie voor een groot aantal materialen. Merk op dat de datapunten die als gecondenseerde materie zijn genoteerd, kunnen worden beschreven als zijnde in de buurt van een rechte lijn. Dit komt doordat het bereik van de warmtecapaciteit per volume-eenheid voor gecondenseerde materie (vloeistoffen en vaste stoffen) klein is (het bereik van de warmtecapaciteit per volume voor gecondenseerde materie is van 1×10-6 J/m3 -K tot 4×10-6 J/m3-K). Wat de thermische diffusiviteit betreft, zijn gassen en gecondenseerde stoffen verschillend. Lucht heeft bijvoorbeeld een laag warmtegeleidingsvermogen, maar een relatief hoog warmteverspreidend vermogen � Dit betekent dat lucht weliswaar slechts een relatief kleine hoeveelheid warmte-energie kan absorberen, maar deze energie wel effectief kan verspreiden.
Thermische geleidbaarheid is een maat voor de warmtestroom in een materiaal als gevolg van een temperatuurverschil. Om nauwkeurige metingen van de warmtegeleidbaarheid in stationaire toestand te verkrijgen, moeten zowel de warmteflux als de temperaturen bekend zijn en moeten deze omstandigheden bovendien niet in de tijd veranderen. De tijdsvereisten en de inherente moeilijkheid om nauwkeurige metingen te verrichten hebben geleid tot de ontwikkeling van transiënte technieken voor het meten van eigenschappen. Warmtecapaciteit en dichtheid zijn betrekkelijk gemakkelijk te meten en zelfs te voorspellen, gegeven de samenstellende materialen. Zij zijn ook meetbaar aan de hand van kleine monsters. Met de meting van de thermische diffusiviteit kan de thermische geleiding worden bepaald. Bij een meting van de thermische diffusiviteit moet ook de tijd worden gemeten, maar nauwkeurige tijdmeting is niet moeilijk. Meting van thermische eigenschappen met behulp van een flashtechniek werd voor het eerst beschreven in 1960 door Parker et al. van het U.S. Navy Radiological Defense Laboratory . Verdere inspanningen hebben deze meettechnieken verbeterd tot gevestigde methoden voor de meting van materiaaleigenschappen.
De eenheden van thermische diffusie zijn lengte2/tijd en een gangbare reeks SI-eenheden is m2/sec (het gebruik van cm of mm als lengteschaal komt vaak voor omdat het de rapportage van waarden dichter bij de waarde één mogelijk maakt). Tabel 1 geeft een overzicht van de thermische diffusiviteit voor geselecteerde materialen bij kamertemperatuur (300 K). Evenals bij de thermische geleidbaarheid is een aanzienlijke variatie in de gerapporteerde waarden gebruikelijk.
Tabel 1. Thermische diffusiviteit voor geselecteerde materialen
|
- 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.
