- Jim Wilson
Termisk diffusivitet är ett mått på ett materials övergående termiska respons på en temperaturförändring och termen termisk diffusivitet. (α) definieras somα= k/(ρ x cp)
| där | αär värmediffusiviteten (m2/sek) |
| k är värmeledningsförmågan (W/m-K) | |
| ρ är densiteten (kg/m3) | |
| cp är värmekapaciteten (J/kg-K) |
Det bör noteras att var och en av dessa kvantiteter kan variera med temperaturen. Termisk diffusivitet är en praktisk samling fysikaliska egenskaper för transienta lösningar av värmeekvationen. För ett homogent material med konstanta egenskaper uttrycks värmeekvationen (1) med tre fysiska egenskaper som (2) med endast en koefficient.
Ett material med hög värmediffusionsförmåga (t.ex. silver) är en bra spridare av värmeenergi, medan ett material med låg värmediffusionsförmåga (t.ex. plast) är mycket långsammare på att sprida värmeenergi. Om den termiska miljön runt ett material förändras måste värme strömma in eller ut ur materialet tills termisk jämvikt uppnås, förutsatt att miljön är konstant efter förändringen. Material med hög termisk diffusivitet uppnår termisk jämvikt snabbare än material med låg termisk diffusivitet.
Figur 1. Termisk konduktivitet kontra termisk diffusivitet för ett stort antal homogena material (slutna cirklar, metaller; kvadrater, keramik; trianglar, glas; öppna kvadrater, polymerer; öppna cirklar, vätskor; och kryss, gaser) .
I figur 1 jämförs termisk konduktivitet med termisk diffusivitet för ett stort antal olika material. Lägg märke till att de datapunkter som noterats som kondenserad materia kan beskrivas som att de ligger nära en rät linje. Detta beror på att intervallet för värmekapaciteten per volymenhet för kondenserad materia (vätskor och fasta ämnen) är litet (intervallet för värmekapaciteten per volym för kondenserad materia är från 1×10-6 J/m3 -K till 4×10-6 J/m3-K). När det gäller termisk diffusivitet skiljer sig gaser och kondenserad materia åt. Luft har till exempel en låg värmeledningsförmåga men en relativt hög värmediffusion � detta innebär att även om luft endast kan absorbera en relativt liten mängd värmeenergi är den effektiv när det gäller att sprida energin.
Värmeledningsförmåga är ett mått på värmeflödet i ett material till följd av en temperaturskillnad. För att få exakta mätningar av värmeledningsförmågan vid stationära förhållanden krävs att man känner till både värmeflödet och temperaturerna och dessutom att dessa förhållanden är oförändrade i tiden. Tidskraven och den inneboende svårigheten att göra noggranna mätningar har lett till utveckling av transienta tekniker för egenskapsmätning. Värmekapacitet och densitet är relativt lätta att mäta och till och med förutsäga med tanke på de ingående materialen. De kan också mätas på små provstorlekar. En mätning av värmediffusivitet ger ett sätt att få fram värmeledningsförmåga. En mätning av värmediffusivitet innebär att man måste mäta tiden, men det är inte svårt att mäta tiden exakt. Mätning av termiska egenskaper med hjälp av en blixtteknik beskrevs för första gången 1960 av Parker et al. från U.S. Navy Radiological Defense Laboratory . Ytterligare ansträngningar har förbättrat dessa mättekniker till väletablerade metoder för mätning av materialegenskaper .
Enheterna för termisk diffusivitet är längd2/tid och en vanlig uppsättning SI-enheter är m2/sek (användningen av cm eller mm som längdskala är vanligt förekommande eftersom det gör det möjligt att rapportera värden som ligger närmare värdet ett). I tabell 1 listas termiska diffusiviteter för utvalda material vid rumstemperatur (300 K). Liksom för värmeledningsförmåga är betydande variationer i rapporterade värden vanliga.
Tabell 1. Termisk diffusivitet för utvalda material
|
- 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.
Om författaren
.
