انتقال حرارت از طریق ترکیبی از سه روش انجام می شود. هدایت، همرفت و تابش. در رسانش گرما، دو ویژگی ماده بر نحوه انجام رسانش تأثیر می‌گذارد، یعنی هدایت حرارتی (K) و انتشار حرارتی (D یا آلفا).

رسانایی حرارتی یک ویژگی شناخته شده است، و این دانش عمومی است که برای مثال، فلزات رسانای گرما بهتری نسبت به پلاستیک ها هستند. از سوی دیگر، انتشار حرارتی چندان مستقیم و حتی نسبتاً ناشناخته نیست. انتشار حرارتی میزان انتقال حرارت از طریق یک محیط را تعریف می کند.

هرچه نفوذ حرارتی بالاتر باشد، سرعت انتقال حرارت از طریق آن محیط سریعتر است. بنابراین این امکان وجود دارد که موادی با رسانایی حرارتی بسیار متفاوت، انتشار حرارتی بسیار مشابهی داشته باشند. به عنوان مثال، نیکل و هوا دارای نفوذ حرارتی یکسان اما رسانایی حرارتی بسیار متفاوت هستند. علاوه بر این، به ویژه در مواد کامپوزیتی، ترکیب دو ماده با نفوذ حرارتی بالا ممکن است یکی با انتشار حرارتی کلی کمتر از هر یک از مواد به تنهایی ایجاد کند. [1].

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• انتشار حرارتی چیست؟
• اندازه گیری نفوذ حرارتی
• انتشار حرارتی مواد مختلف
• مواد و کاربردهای آینده

شکل 1. هیت سینک ها از موادی با نفوذ حرارتی بالا ساخته شده اند.

انتشار حرارتی چیست؟

ضریب نفوذ حرارتی یک ماده عبارت است از رسانایی حرارتی تقسیم بر حاصلضرب چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه آن با ثابت نگه داشتن فشار. این به ما می گوید که انتقال گرما در یک ماده از سمت گرمتر به سمت سردتر با چه سرعتی انجام می شود. انتشار حرارتی اندازه گیری سرعت واکنش یک ماده به تغییرات دما است. در متر اندازه گیری می شود²/s.

انتشار حرارتی یک ماده را می توان به صورت بیان کرد

`alpha=frac{k}{( rho c_{p})} `

در جایی که “k” هدایت حرارتی است، “c_{p}” ظرفیت گرمایی ویژه و “rho” چگالی است. `rho c_{p}` به عنوان ظرفیت گرمایی حجمی نیز شناخته می شود. انتشار حرارتی همچنین می تواند به عنوان نسبت گرمایی که از یک ماده عبور می کند به گرمای ذخیره شده در آن در واحد حجم توصیف شود. این بدان معناست که مقدار بالای نفوذ حرارتی لزوماً به این معنی نیست که ماده گرما را بهتر از ماده ای با نفوذ حرارتی پایین پخش می کند زیرا نفوذ حرارتی نسبتی بین رسانایی گرمایی و ظرفیت حرارتی حجمی در فشار ثابت است. می توان گفت در مورد تعادل بین عبور گرما و ذخیره گرما به ما می گوید.

اندازه گیری نفوذ حرارتی

روش‌های اندازه‌گیری نفوذ حرارتی آسان‌تر از اندازه‌گیری هدایت حرارتی انجام می‌شوند و به این ترتیب، اندازه‌گیری‌های نفوذ حرارتی اغلب وسیله‌ای برای اندازه‌گیری رسانایی حرارتی مطابق با معادله k=alpharhoc با چگالی و گرمای ویژه هستند. ظرفیت مقادیر شناخته شده تکنیک‌های اندازه‌گیری نفوذ حرارتی در گذشته عمدتاً فتوترمال و فوتوآکوستیک بوده است (که به آزمایشگاه‌ها محدود می‌شود)، اما به لطف گام‌های اخیر در فناوری فروسرخ، تکنیک‌های ترموگرافی جدید توسعه یافته‌اند که می‌توان آنها را در محل انجام داد. [2]. برخی از تکنیک های اندازه گیری نفوذ حرارتی عبارتند از روش فلاش لیزری، تداخل سنجی امواج حرارتی و ترموگرافی مادون قرمز.

روش فلاش لیزری

این روش شامل حرارت دادن یک ماده نمونه مسطح موازی با یک انفجار کوتاه انرژی در یک طرف و ارزیابی تغییر دما از طرف دیگر نمونه است. پارامترهای اندازه گیری شده شامل زمان، افزایش دما و ضخامت نمونه است. محدودیت این روش این است که به نمونه ای از هندسه خاص نیاز دارد.

تداخل سنجی امواج حرارتی

این تکنیک برای اندازه گیری نفوذ حرارتی پوشش ها و دال های نازک استفاده می شود. این تکنیک شامل حرارت دادن یک نمونه پوشش داده شده توسط لیزر مدوله شده است و ساختار دو لایه نمونه باعث ایجاد تغییر در جزء ac (فاز و دامنه) دمای سطح در مقایسه با سطح بدون پوشش می شود. این تغییر در اثر انعکاس و انتقال امواج حرارتی در سطح مشترک بین سطوح پوشش داده شده و بدون پوشش نمونه ایجاد می شود و توسط یک آشکارساز مادون قرمز نظارت می شود. همه این اطلاعات برای تعیین نفوذ حرارتی ترکیب می شوند [3].

ترموگرافی مادون قرمز

این تکنیک شامل تجزیه و تحلیل تکامل زمانی توزیع دمای سطح پشتی یک نمونه صفحه مانند است که از جلو توسط یک منبع حرارتی دایره ای گاوسی آنی گرم شده است. سپس می توان با تجزیه و تحلیل توزیع فضایی یا تصویر فاز دمای هر یک از سطوح نمونه جلو یا عقب، نفوذ حرارتی را تعیین کرد. سه روش ترموگرافی وجود دارد، به نام‌های اندازه‌گیری نفوذ با تفکیک فضایی، امواج حرارتی جانبی و روش فلاش یک طرفه. [2].

میز 1. مقادیر تجربی و ادبیات مقادیر انتشار حرارتی برای فولاد ضد زنگ AISI304 [2]

روش اندازه گیری	انتشار [cm2/s]	خطا [cm2/s]
ارزش ادبیات	0.04	± 0.0006*10-4
فلاش لیزری	0.0399	0.001 ± 10-4
تداخل سنجی امواج حرارتی	0.040	0.006 ± 10-4
روش ترموگرافی I (اندازه گیری نفوذ با تفکیک فضایی)	0.040	± 0.0006*10-4
روش ترموگرافی II (امواج حرارتی جانبی)	0.0398	± 0.0006*10-4
روش ترموگرافی III (روش فلاش یک طرفه)	0.0401	0.004 ± 10-4

از جدول بالا می توان دریافت که تمامی روش های اندازه گیری از دقت بالایی با حداقل انحراف برخوردارند.

انتشار حرارتی مواد مختلف

در زیر جدولی از مواد منتخب و رسانایی حرارتی، انتشار حرارتی و ظرفیت حرارتی ویژه آنها آورده شده است. به عنوان مثال، می توان دید که نیکل و سرب دارای نفوذ حرارتی یکسان هستند، اما نیکل دارای رسانایی حرارتی بالاتری است. این بدان معناست که نیکل گرما را سریعتر از سرب هدایت می کند، اما گرمای ذخیره شده در آن همچنان بالاتر از سرب است زیرا ظرفیت گرمایی حجمی بالاتری دارد. به طور مشابه، پتاسیم و کبالت گرما را با سرعت مشابهی هدایت می کنند، اما کبالت در حین انجام این کار به طور قابل توجهی بیشتر از پتاسیم گرم می شود زیرا انتشار حرارتی کمتری دارد.

جدول 2. خواص حرارتی مواد انتخاب شده

مواد و کاربردهای آینده

انتشار حرارتی در بسیاری از صنایع برای انتخاب بهترین موادی که می توانند جریان گرمای بهینه را بدون گرم شدن در این فرآیند فراهم کنند، مهم است. به عنوان مثال، یک هیت سینک از مواد با نفوذ حرارتی بالا برای انجام هدف خود در انتقال سریع گرما از بدن دیگر استفاده می کند، در حالی که عایق ها از مواد با نفوذ حرارتی پایین استفاده می کنند تا اطمینان حاصل شود که گرما از بدن هدر نمی رود.

سینک‌های حرارتی تقریباً در تمام تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شوند که افزایش مقاومت الکتریکی در برخی اجزا می‌تواند منجر به ایجاد گرما شود. این ایده اساسی یک معیار انتخاب مواد در تبرید مواد غذایی، گرمایش/سرمایش، معماری و ماشین‌کاری است.

در ساخت کاشی‌های حرارتی شاتل فضایی، مواد ایروژل ساخته شده‌اند که چنان رسانای حرارت ضعیفی هستند که می‌توان آن‌ها را چند لحظه پس از گرم شدن بیش از 1000 با دست خالی برداشت.^oC در فر چنین ماده ای دارای مقادیر بسیار پایینی از رسانایی گرمایی و انتشار حرارتی است.

شکل 2. آئروژل ها مواد جدیدی هستند که به ویژه برای داشتن سطوح پایین انتشار حرارتی و هدایت حرارتی ساخته شده اند. (جان کولیر، فلیکر)