Difuzivitate termică

• Jim Wilson
14 ani în urmă
Categorii: Articole, Proiectare, Materiale, Compounduri, Adezivi, Substraturi, Testare & Măsurători
Tags: Date tehnice, Difuzivitatea termică

Difuzivitatea termică este o măsură a răspunsului termic tranzitoriu al unui material la o schimbare de temperatură, iar termenul difuzivitate termică (α) este definit caα= k/(ρ x cp)

Este de remarcat faptul că fiecare dintre aceste mărimi poate varia în funcție de temperatură. Difuzivitatea termică este o colecție convenabilă de proprietăți fizice pentru soluțiile tranzitorii ale ecuației căldurii. Pentru un material omogen cu proprietăți constante, ecuația căldurii (1) cu trei proprietăți fizice se exprimă sub forma (2) cu un singur coeficient.

Un material cu o difuzivitate termică ridicată (cum ar fi argintul) este un bun difuzor de energie termică, în timp ce un material cu o difuzivitate termică scăzută (cum ar fi plasticul) este mult mai lent la difuzarea energiei termice. Dacă mediul termic din jurul unui material se schimbă, căldura trebuie să intre sau să iasă din material până când se atinge echilibrul termic, presupunând că mediul este constant după schimbare. Materialele cu o difuzivitate termică ridicată vor atinge echilibrul termic mai repede decât materialele cu o difuzivitate termică scăzută.

Figura 1. Conductivitatea termică în raport cu difuzivitatea termică pentru o mare varietate de materiale omogene (cercuri închise, metale; pătrate, ceramică; triunghiuri, sticle; pătrate deschise, polimeri; cercuri deschise, lichide; și cruci, gaze) .

Figura 1 compară conductivitatea termică cu difuzivitatea termică pentru o gamă largă de materiale. Observați că punctele de date notate ca fiind materie condensată pot fi descrise ca fiind aproape de o linie dreaptă. Acest lucru se datorează faptului că intervalul capacității termice pe unitate de volum pentru materia condensată (lichide și solide) este mic (intervalul capacității termice pe volum pentru materia condensată este de la 1×10-6 J/m3 -K la 4×10-6 J/m3-K). În ceea ce privește difuzivitatea termică, gazele și materia condensată sunt diferite. De exemplu, aerul are o conductivitate termică scăzută, dar o difuzivitate termică relativ mare � aceasta înseamnă că, deși aerul poate absorbi doar o cantitate relativ mică de energie termică, este eficient în difuzarea energiei.

Conductivitatea termică este o măsură a fluxului de căldură într-un material care rezultă dintr-o diferență de temperatură. Obținerea unor măsurători precise ale conductivității termice în condiții de echilibru necesită cunoașterea atât a fluxului de căldură, cât și a temperaturilor și, în plus, ca aceste condiții să nu se modifice în timp. Cerințele de timp și dificultatea inerentă în realizarea unor măsurători precise au condus la dezvoltarea tehnicilor tranzitorii pentru măsurarea proprietăților. Capacitatea termică și densitatea sunt relativ ușor de măsurat și chiar de prezis, având în vedere materialele constitutive. De asemenea, acestea pot fi măsurate pe eșantioane de dimensiuni mici. Măsurarea difuzivității termice oferă un mijloc de extragere a conductivității termice. O măsurare a difuzivității termice adaugă necesitatea de a măsura timpul, dar măsurarea exactă a timpului nu este dificilă. Măsurarea proprietăților termice folosind o tehnică flash a fost descrisă pentru prima dată în 1960 de Parker et al. de la Laboratorul de apărare radiologică al Marinei SUA. Eforturile ulterioare au îmbunătățit aceste tehnici de măsurare până la metode bine stabilite pentru măsurarea proprietăților materialelor .

Unitățile de măsură a difuzivității termice sunt lungime2/timp și un set comun de unități SI este m2/sec (utilizarea cm sau mm ca scară de lungime este frecventă deoarece permite raportarea unor valori mai apropiate de valoarea unu). Tabelul 1 enumeră difuzivitățile termice pentru anumite materiale la temperatura camerei (300 K). Ca și în cazul conductivității termice, este frecventă variația semnificativă a valorilor raportate.

Tabel 1. Difuzivitatea termică pentru materiale selectate

1. Salazar, A., „On Thermal Diffusivity”, European Journal of Physics, 24, 2003.
2. Parker, W. et al., „A Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity”, Journal of Applied Physics, 32, 1961.
3. ASTM E1461-01 Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method, ASTM International, www.astm.org.
4. King, J., Material Handbook for Hybrid Microelectronics, Artec House, Norwood, Mass., 1988.

.