Bevezetés
A termikus diffúzió fogalmát gyakran összekeverik a hővezető képesség fogalmával. Ezek szorosan összefüggő fogalmak, azonban a tudományos közösségben a hővezető képesség tűnik elterjedtebbnek. Még ha a két hőátadási mérés közül a kevésbé népszerű is, a hővezető képesség még mindig fontos szerepet játszik a hő mozgásának és viselkedésének befolyásolásában.
A hővezető képesség annak a sebességnek a mérése, amellyel a hő eloszlik egy tárgyban vagy testben. A hővezető képesség azt méri, hogy egy anyag egy atomja vagy molekulája milyen könnyen veszi fel vagy adja le a hőt. A termikus diffúziós képesség lényege, hogy milyen gyorsan terjed a hő egy anyagban.
A termikus diffúzió kifejezései
A termikus vezetőképesség a termikus diffúzió egyik tényezőjének is tekinthető. Egy olyan anyagnak, amelyről azt mondják, hogy hatékonyan vezeti a hőt, hatékony hődiffúziós tulajdonságokkal is rendelkeznie kell ahhoz, hogy megkönnyítse a hőátadást. A sűrűség a hődiffúzió másik tényezője. A nagy sűrűségű anyag szorosan egymás mellé tömörített atomokból/molekulákból áll. A nagyobb sűrűség korlátozhatja a hőnek a tárgyon keresztül történő terjedésének sebességét és távolságát. A sűrűség növekedését úgy képzelhetjük el, mint egy autópályát több fizetőkapuval, ahol az autók energiakvantumok hő formájában.
A fajlagos hőkapacitás az utolsó lényeges tényező, ha csak a szilárd anyagokat tekintjük, mivel ez a mennyiség arra vonatkozik, hogy egy atom/molekula egyszerre mennyi hőt képes megtartani. Ezt úgy lehet elképzelni, mint egy stoptáblát, amely annál inkább változik, minél több autó áll meg nála. Az anyag fajhőjének növelése olyan lenne, mintha csökkentenénk azt a pozitív hatást, amelyet minden egyes lámpánál megálló autó gyakorol annak valószínűségére, hogy a lámpa zöldre vált. A folyadékokra a konvekció is hatással van, ami az atomok/molekulák melegedés okozta mozgását jelenti. A konvekció hatással van a hőátadásra, és sokkal nehezebbé teszi a termikus diffúziós képesség matematikai modellezését. Ha azonban a szilárd testekre összpontosítunk, egyszerűbb ábrázolás képezhető.
\
Ahol k a hővezető képesség, p a sűrűség, és c a fajlagos hőkapacitás állandó nyomáson. pc-t gyakran térfogati hőkapacitásnak is nevezik.
A matematikai vagy hasonló területen jártas személyek számára ez a fogalom némileg ismerős lehet. Ez egy meglehetősen hasznos egyenletformának tulajdonítható, amely bármely tulajdonságnak egy állandó közegen keresztül történő diffúzióját írja le. Ezt az egyenletformát “hőegyenletnek” nevezik, mivel a hődiffúzió a leggyakoribb felhasználási területe.
\”Hőegyenlet”
Ahol \ valamilyen tulajdonság mértékegysége, \ annak időbeli deriváltja, és \ a Laplace-operátor (a gradiens divergenciája)
A homogén (egyenletes) testen keresztül történő hőátadás esetén \ jelentheti a hőmérsékletet, α pedig ugyanaz lenne, mint fentebb.
\
Az egyenlet egyik előnye, hogy az \ gyakran bármely koordinátarendszertől függetlenül felírható. Ebben a formában jól látható, hogy a hővezetési tényező egy skálázási tényező, vagyis közvetlenül szabályozza a hőmérséklet változásának sebességét.
Kísérleti módszerek a hővezetési tényező meghatározására
A hővezetési tényezővel együtt a hővezetési tényező is mérhető, ha a sűrűség ismert. Az egyik módszer a Searle-féle rúdkísérlet lenne, amely egyenletet ad a hővezető képességre
\
Ha a következő egyenletet kezdeti számítás nélkül behelyettesítjük a hővezetési egyenletbe, akkor a fajlagos hőkapacitást nem kell ismernünk.
A modern technológia fejlődése révén pontosabb módszerek születtek egy tárgy hővezető képességének meghatározására. A flash-módszer egy viszonylag új módszer a hődiffúziós képesség mérésére. Ennél a módszernél az anyagból egy előre meghatározott méretű kis mintát fekete festékkel vonnak be, amelyet úgy alakítanak ki, hogy a minta fekete dobozként viselkedjen. Ezután a minta egyik felületére rövid ideig tartó, nagyon intenzív fényt bocsátanak. A fény hullámhosszának és intenzitásának ismeretében könnyen és nagy pontossággal megbecsülhető az általa a mintába juttatott energia mennyisége. A minta ellentétes oldala érintkezik egy termoelemmel, amely méri az adott felület hőmérsékletét. Egy oszcilloszkóp ábrázolja a mért hőmérsékletet az idő függvényében. A hődiffúziós képesség ezután a grafikon alakja alapján a hőegyenlet átrendezésével megállapítható.
\
A hődiffúziós képesség alkalmazásai
1. ábra: Egy ház, amelynek egyes területein hiányzik a szigetelés.
Számos iparág támaszkodik a hődiffúziós képességre a legmegfelelőbb anyagok meghatározásához a hatékony hőáramlás optimalizálása érdekében. A szigetelés egy példa olyan anyagra, amelynek alacsony hővezető képességre van szüksége, hogy egyszerre minimális hőmennyiség haladjon át rajta. A hőelnyelő egy olyan berendezés, amelyet úgy terveztek, hogy a hőt kivezesse és elvezesse egy másik berendezésből. A hűtőbordának nagyon magas hővezető képességgel kell rendelkeznie, amely lehetővé teszi a hő gyors továbbítását. Ha lassú hőátadás történne, a hőt befogadó terület felmelegedne, és nem engedne meg annyi hőáramlást egységnyi idő alatt. Hőelnyelőket szinte minden elektromos berendezésben használnak. Bizonyos alkatrészek hőmérsékletének növekedése megnövekedett elektromos ellenálláshoz és váratlan viselkedéshez vezethet.
2. ábra: Réz hűtőborda a hő elvezetésére az alaplapról.
Az olyan technológiák, mint a hűtés, a fűtés, a megmunkálás és az építészet mind kiemelkedően fontosnak tartják a hővezető képességet. Az alábbiakban felvázoljuk a legnagyobb és a legkisebb hővezetési tényezővel rendelkező anyagok listáját. Ez a lista a Thermtest kiterjedt anyaghőmérsékleti tulajdonságok adatbázisának jóvoltából készült.
| Anyag | Hővezető (W/m-K) |
Thermikus diffúzió (mm2/s) |
Specifikus hőkapacitás (J/kg-K) |
Anyag sűrűsége (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|
| Jód (szilárd) | 0.004 | 0 | 218 | 4930 |
| Ammónia (NH3) (folyadék nyomás alatt) | 0.05 | 0.02 | 4686 | 618 |
| Ethyl Vinyl Acetate | 0.075 | 0.03 | 2301 | 1200 |
| Tetradecafluorhexán | 0.057 | 0.0308 | 1100 | 1680 |
| Urea-Formaldehid formázott | 0.126 | 0.05 | 1674 | 1500 |
| Polyvinilidén-fluorid (Kynar) | 0.126 | 0.05 | 1381 | 1760 |
| Polyvinyl Butyral | 0.084 | 0.05 | 1674 | 1100 |
| Butilgumi | 0.088 | 0.05 | 1966 | 900 |
| R12 (diklórfluor-metán) | 0.07 | 0.0531 | 886 | 1488 |
| R134a (Tetrafluoretán) | 0.1 | 0,0566 | 1280 | 1380 |
1. táblázat: A hővezető képesség, a legalacsonyabb hővezető képesség, a fajlagos hőkapacitás és az anyagsűrűség mérései.
| Anyag | Hővezető képesség (W/m-K) |
Thermikus diffúzió (mm2/s) |
Specifikus hőkapacitás (J/kg-K) |
Anyag sűrűsége (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|
| Grafitlemez 100 Um (In-Sík) | 700 | 968 | 850 | 850 |
| Grafitlemez 25 Um (In-Sík) | 1600 | 896 | 850 | 2100 |
| Grafitlemez 70 Um (In-Sík) | 800 | 855 | 850 | 1100 |
| Carbon Diamond Gem Quality Type 1 | 543.92 | 306 | 506 | 3510 |
| Silíciumkarbid (SiC) (Single Xtal) | 489.53 | 225 | 678 | 3210 |
| ezüst | 426.77 | 172 | 236 | 10500 |
| Hélium (gáz) | 0.15 | 164 | 5188 | 0.177 |
| Kálium | 97.069 | 150 | 753 | 862 |
| Hidrogén (gáz) | 0.186 | 145 | 14230 | 0.0899 |
| ezüst ötvözetek Sterling és érme | 359.82 | 137 | 251 | 10500 |
2. táblázat: A hővezető képesség, a legnagyobb hővezető képesség, a fajlagos hőkapacitás és az anyagsűrűség mérései.
Hivatkozás
“On thermal diffusivity” – Agustin Salazar – May 2003 European Journal of Physics 24(4):351; 10. European Journal of Physics 24(4):351; 10.1088/0143-0807/24/4/353 – https://www.researchgate.net/publication/231038795_On_thermal_diffusivity
“Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity” – W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler, and G. L. Abbott – Journal of Applied Physics 32, 1679 (1961); 10.1063/1.1728417 – https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1728417
“Thermal Diffusivity Mapping of Graphene-Based Polymer Nanocomposites” – Matthieu Gresil, Zixin Wang, Quentin-Arthur Poutrel & Constantinos Soutis – Scientific Reports | 7: 5536; 10.1038/s41598-017-05866-0 – https://www.nature.com/articles/s41598-017-05866-0.pdf
MATERIALS THERMAL PROPERTIES DATABASE – https://thermtest.com/materials-database
.