Introducere
Conceptul de difuzivitate termică este frecvent confundat cu cel de conductivitate termică. Acestea sunt concepte strâns legate între ele; cu toate acestea, conductivitatea termică pare să fie mai răspândită în comunitatea științifică. Chiar și ca fiind cea mai puțin populară dintre cele două măsurători ale transferului de căldură, difuzivitatea termică joacă totuși un rol important în influențarea mișcării și comportamentului căldurii.
Dispersivitatea termică este o măsură a vitezei cu care căldura se dispersează în interiorul unui obiect sau corp. Conductivitatea termică este o măsură a ușurinței cu care un atom sau o moleculă a unui material acceptă sau cedează căldura. Ideea principală din spatele difuzivității termice este viteza cu care căldura se difuzează în interiorul unui material.
Expresii pentru difuzia termică
Conductanța termică poate fi, de asemenea, privită ca un factor al difuziei termice. Un material despre care se spune că conduce eficient căldura trebuie să aibă, de asemenea, proprietăți eficiente de difuzie termică pentru a facilita transferul de căldură. Densitatea este un alt factor de difuzie termică. Un material cu o densitate mare este compus din atomi/molecule strânse laolaltă. O densitate mai mare poate limita viteza și distanța pe care căldura o poate parcurge prin obiect. O creștere a densității poate fi imaginată ca o autostradă cu mai multe ghișee de taxare, unde mașinile sunt cuante de energie sub formă de căldură.
Capacitatea termică specifică este ultimul factor relevant atunci când ne referim doar la solide, deoarece această cantitate se referă la câtă căldură poate fi reținută de un atom/moleculă la un moment dat. Aceasta poate fi imaginată ca un semafor care are mai multe șanse să se schimbe cu cât mai multe mașini se opresc la el. Creșterea căldurii specifice a materialului ar fi ca și cum ar diminua efectul pozitiv pe care fiecare mașină oprită la semafor îl are asupra probabilității ca lumina să se schimbe în verde. Fluidele sunt, de asemenea, afectate de convecție, care reprezintă mișcarea atomilor/moleculelor cauzată de încălzire. Convecția are un impact asupra transferului de căldură și face ca difuzivitatea termică să fie mult mai greu de modelat matematic. Cu toate acestea, dacă ne concentrăm asupra solidelor, se poate forma o reprezentare mai simplă.
\
Unde k este conductivitatea termică, p este densitatea și c este capacitatea termică specifică la presiune constantă. pc este adesea menționată ca fiind capacitatea termică volumetrică.
Pentru o persoană cu o pregătire în matematică sau într-un domeniu conex, acest concept ar putea fi oarecum familiar. Acest lucru poate fi atribuit unei forme destul de utile de ecuație care descrie difuzia oricărei proprietăți printr-un mediu consistent. Această formă de ecuație se numește „ecuația căldurii” deoarece difuzia căldurii este cea mai frecventă utilizare a acesteia.
„Ecuația căldurii”
Unde \ este o măsură a unei anumite proprietăți, \ este derivata acesteia în raport cu timpul și \ este operatorul Laplace (divergența gradientului)
În cazul transferului de căldură printr-un corp omogen (uniform), \ ar putea reprezenta temperatura, iar α ar fi la fel ca mai sus.
\
Un avantaj al acestei ecuații este că \ poate fi adesea scris independent de orice sistem de coordonate. În această formă este clar că difuzivitatea termică este un factor de scalare, ceea ce înseamnă că ea controlează în mod direct viteza cu care se schimbă temperatura.
Metode experimentale de găsire a difuzivității termice
Este posibil ca difuzivitatea termică să fie măsurată alături de conductivitatea termică dacă se cunoaște densitatea. O metodă ar fi experimentul cu bara lui Searle, care oferă o ecuație pentru conductivitatea termică
\
Dacă următoarea ecuație este înlocuită în ecuația de difuzie termică fără un calcul inițial, atunci capacitatea termică specifică nu ar trebui să fie cunoscută.
Îmbunătățirile din tehnologia modernă au creat metode mai precise de determinare a difuzivității termice a unui obiect. Metoda flash este o modalitate relativ nouă de măsurare a difuzivității termice. În această metodă, o mică mostră de material cu dimensiuni prestabilite este acoperită cu vopsea neagră care este concepută pentru a face ca mostra să se comporte ca o cutie neagră. O față a eșantionului este apoi lovită cu o lumină foarte intensă de scurtă durată. Cunoscând lungimea de undă și intensitatea acestei lumini, cantitatea de energie pe care aceasta o transmite în eșantion este ușor de estimat cu mare precizie. Fața opusă a eșantionului este în contact cu un termocuplu care măsoară temperatura acestei fețe. Un osciloscop trasează temperatura măsurată în funcție de timp. Difuzivitatea termică poate fi apoi găsită prin forma graficului prin rearanjarea ecuației căldurii.
Aplicații ale difuzivității termice
Figura 1: O casă cu o lipsă de izolație pe zone.
Multe industrii se bazează pe difuzivitatea termică pentru a determina cele mai potrivite materiale pentru a optimiza fluxul de căldură eficient. Izolația este un exemplu de material care necesită o difuzivitate termică scăzută, astfel încât o cantitate minimă de căldură să treacă prin el la un moment dat. Un radiator este un aparat care este conceput pentru a transporta căldura în exterior și a o îndepărta de un alt echipament. Un radiator trebuie să aibă o difuzivitate termică foarte mare care să permită transportul rapid al căldurii. Dacă ar avea loc un transfer lent de căldură, zona care acceptă căldura s-ar încălzi și nu ar permite un flux de căldură la fel de mare pe unitate de timp. Disipatoarele de căldură sunt utilizate în aproape toate echipamentele electrice. O creștere a temperaturii în anumite componente poate duce la o rezistență electrică crescută și la un comportament neașteptat.
Figura 2: Un radiator din cupru pentru a îndepărta căldura de o placă de bază.
Tehnologii precum refrigerarea, încălzirea, prelucrarea și arhitectura, toate acestea acordă difuzivității termice o importanță primordială. Mai jos este prezentată o listă a materialelor cu cele mai mari și cele mai mici difuzivități termice. Această listă este oferită de baza de date extinsă a Thermtest privind proprietățile termice ale materialelor.
| Material | Conductivitate termică (W/m-K) |
Difuzivitate termică (mm2/s) |
Difuzivitate termică (mm2/s) |
Capacitatea termică specifică (J/kg-K) |
Densitatea materialului (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|---|
| Iod (solid) | 0.004 | 0 | 218 | 4930 | |
| Amoniac (NH3) (lichid sub presiune) | 0.05 | 0,02 | 4686 | 618 | |
| Ethyl Vinyl Acetate | 0.075 | 0,03 | 2301 | 1200 | |
| Tetradecafluorohexan | 0.057 | 0,0308 | 1100 | 1680 | |
| Uree-Formaldehidă modelată | 0.126 | 0,05 | 1674 | 1500 | |
| Fluorură de poliviniliden (Kynar) | 0,126 | 0.05 | 1381 | 1760 | |
| Polivinil butiral | 0,084 | 0.05 | 1674 | 1100 | |
| Cauciuc butilic | 0,088 | 0.05 | 1966 | 900 | |
| R12 (diclorofluorometan) | 0.07 | 0,0531 | 886 | 1488 | |
| R134a (Tetrafluoretan) | 0.1 | 0,0566 | 1280 | 1380 |
Tabelul 1: Măsurători ale conductivității termice, difuzivității termice cele mai scăzute, capacității termice specifice și densității materialului.
| Material | Conductivitate termică (W/m-K) |
Difuzivitate termică (mm2/s) |
Difuzivitate termică (mm2/s) |
Capacitatea termică specifică (J/kg-K) |
Densitatea materialului (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|---|
| Foaie de grafit 100 Um (In-Plan) | 700 | 968 | 850 | 850 | |
| Foaie de grafit 25 Um (In-Plane) | 1600 | 896 | 850 | 2100 | |
| Foaie de grafit 70 Um (In-Plane) | 800 | 855 | 850 | 1100 | |
| Carbon Diamond Gem Quality Type 1 | 543.92 | 306 | 506 | 3510 | |
| Carbură de siliciu (SiC) (Single Xtal) | 489.53 | 225 | 678 | 3210 | |
| Argint | 426.77 | 172 | 236 | 10500 | |
| Heliu (gaz) | 0.15 | 164 | 5188 | 0,177 | |
| Potasiu | 97.069 | 150 | 753 | 862 | |
| Hidrogen (gaz) | 0.186 | 145 | 14230 | 0,0899 | |
| Alegeri de argint și monede | 359.82 | 137 | 251 | 10500 |
Tabelul 2: Măsurătorile conductivității termice, difuzivității termice cele mai înalte, capacității termice specifice și densității materialului.
Referință
„On thermal diffusivity” – Agustin Salazar – mai 2003 European Journal of Physics 24(4):351; 10. „On thermal diffusivity” – Agustin Salazar – mai 2003 European Journal of Physics 24(4):351; 10. „On thermal diffusivity” – mai 2003.1088/0143-0807/24/4/353 – 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