- Jim Wilson
Difusividade térmica é uma medida da resposta térmica transitória de um material a uma mudança de temperatura e o termo difusividade térmica (α) é definido asα= k/(ρ x cp)
| where | αis a difusividade térmica (m2/sec) |
| k é a condutividade térmica (W/m-K) | |
| ρ é a densidade (kg/m3) | |
| cp é a capacidade térmica (J/kg-K) |
De notar que cada uma destas quantidades pode variar com a temperatura. A difusividade térmica é uma coleção conveniente de propriedades físicas para soluções transitórias da equação de calor. Para um material homogêneo com propriedades constantes, a equação de calor (1) com três propriedades físicas é expressa como (2) com apenas um coeficiente.
Um material com alta difusividade térmica (como a prata) é um bom difusor de energia térmica enquanto que um material com baixa difusividade térmica (como o plástico) é muito mais lento na difusão de energia térmica. Se o ambiente térmico ao redor de um material mudar, o calor deve fluir para dentro ou para fora do material até que o equilíbrio térmico seja alcançado, assumindo que o ambiente é constante após a mudança. Materiais com alta difusividade térmica atingirão o equilíbrio térmico mais rapidamente que materiais com baixa difusividade térmica.
Figure 1. Condutividade térmica versus difusividade térmica para uma grande variedade de materiais homogéneos (círculos fechados, metais; quadrados, cerâmica; triângulos, vidros; quadrados abertos, polímeros; círculos abertos, líquidos; e cruzes, gases) .
Figure 1 compara a condutividade térmica com a difusividade térmica para uma grande variedade de materiais. Observe que os pontos de dados observados como matéria condensada podem ser descritos como estando próximos de uma linha reta. Isto porque a faixa de capacidade térmica por unidade de volume para matéria condensada (líquidos e sólidos) é pequena (a faixa de capacidade térmica por volume para matéria condensada é de 1×10-6 J/m3 -K a 4×10-6 J/m3-K). Em relação à difusividade térmica, os gases e a matéria condensada são diferentes. Por exemplo, o ar tem uma condutividade térmica baixa mas uma difusividade térmica relativamente alta � isto significa que enquanto o ar só pode absorver uma quantidade relativamente pequena de energia térmica, ele é eficaz na difusão da energia.
Condutividade térmica é uma medida do fluxo de calor em um material resultante de uma diferença de temperatura. A obtenção de medições precisas da condutividade térmica em condições de estado estável requer o conhecimento tanto do fluxo de calor como das temperaturas e, adicionalmente, que estas condições não mudam no tempo. Os requisitos de tempo e a dificuldade inerente à realização de medições precisas levaram ao desenvolvimento de técnicas transitórias para a medição de propriedades. A capacidade calorífica e a densidade são relativamente fáceis de medir e até mesmo de prever, dados os materiais constituintes. Eles também são mensuráveis em amostras de tamanho pequeno. Uma medição da difusividade térmica fornece um meio de extrair a condutividade térmica. Uma medição da difusividade térmica acrescenta a necessidade de medir o tempo, mas a medição precisa do tempo não é difícil. A medição das propriedades térmicas usando uma técnica de flash foi descrita pela primeira vez em 1960 por Parker et al. do Laboratório de Defesa Radiológica da Marinha dos EUA. Outros esforços têm melhorado estas técnicas de medição para métodos bem estabelecidos para medições de propriedades materiais .
As unidades de difusividade térmica são comprimento2/tempo e um conjunto comum de unidades SI é m2/seg (o uso de cm ou mm como a escala de comprimento é freqüente, pois permite o relato de valores mais próximos do valor um). A tabela 1 lista as difusividades térmicas para materiais selecionados à temperatura ambiente (300 K). Tal como acontece com a condutividade térmica, é comum uma variação significativa nos valores reportados.
Tabela 1. Difusividade térmica para materiais selecionados
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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.
