رسانایی حرارتی معیاری از توانایی یک ماده خاص برای انتقال یا هدایت گرما است. رسانایی زمانی اتفاق می افتد که یک گرادیان دما در سراسر ماده وجود داشته باشد. واحدهای آن (W/mK) است و با λ یا k نشان داده می شود.

قانون دوم ترمودینامیک مشخص می کند که گرما همیشه از دمای بالاتر به دمای پایین تر جریان می یابد.

معادله هدایت حرارتی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

انرژی گرمایی منتقل شده در واحد زمان از طریق ماده را نشان می دهد. این در ژول بر ثانیه یا وات بیان می شود.

• • ک ثابت هدایت حرارتی است.
  • A سطحی است که انرژی گرمایی در آن جریان دارد و بر حسب متر مربع اندازه گیری می شود.
  • ∆T اختلاف دمای اندازه گیری شده بر حسب کلوین است.
  • L به ضخامت ماده ای اشاره دارد که گرما از طریق آن منتقل می شود و بر حسب متر اندازه گیری می شود.
  • برای محاسبه ثابت هدایت حرارتی، از رابطه زیر استفاده می شود:

رسانایی حرارتی یک ماده خاص به چگالی، رطوبت، ساختار، دما و فشار آن بستگی دارد.

چگونه اندازه گیری می شود؟

برخی از تکنیک های رایج برای اندازه گیری هدایت حرارتی عبارتند از:

روش صفحه داغ محافظ:

روش صفحه داغ محافظت شده یک تکنیک حالت پایدار به طور گسترده برای اندازه گیری هدایت حرارتی است. ماده ای که نیاز به آزمایش دارد بین صفحه داغ و صفحه سرد قرار می گیرد. پارامترهای مورد استفاده برای محاسبه رسانایی حرارتی دمای حالت پایدار، گرمای مورد استفاده برای صفحه گرمتر و ضخامت مواد هستند. می توان از آن برای محدوده دمایی 80 تا 1500 کلوین و برای موادی مانند پلاستیک، شیشه و نمونه های عایق استفاده کرد. این بسیار دقیق است اما زمان قابل توجهی برای انجام آزمایش می گیرد.

روش سیم داغ:

روش سیم داغ یک روش گذرا است و می توان از آن برای تعیین رسانایی حرارتی مایعات، جامدات و گازها استفاده کرد. روش استاندارد سیم داغ مورد استفاده برای مایعات شامل قرار دادن یک سیم گرم در نمونه است. هدایت حرارتی با مقایسه نمودار دمای سیم در برابر لگاریتم زمان، زمانی که چگالی و ظرفیت داده می شود، تعیین می شود.

در مورد جامدات، اصلاح جزئی در این روش مورد نیاز است که به موجب آن سیم داغ بر روی یک پشتی قرار می‌گیرد تا هیچ گونه نفوذ جامد وجود نداشته باشد. این روش در محدوده دمایی 298 تا 1800 کلوین کار می کند و یک تکنیک سریع و دقیق است، اما یک محدودیت کلیدی دارد زیرا فقط بر روی مواد با رسانایی پایین کار می کند.

روش برش مقایسه ای:

روش برش مقایسه ای یک تکنیک حالت پایدار است و می توان از آن برای آزمایش فلزات، سرامیک و پلاستیک استفاده کرد. شار حرارتی از نمونه‌هایی عبور می‌کند که رسانایی گرمایی آن‌ها مشخص و ناشناخته است، در نتیجه می‌توان مقایسه‌ای بین گرادیان‌های حرارتی انجام داد. در محدوده دمایی 293 تا 1573 کلوین کار می کند اما اندازه گیری نسبتا نامشخص است.

روش فلاش لیزری:

روش فلاش لیزری یک تکنیک گذرا است که در آن یک پالس لیزر یک پالس حرارتی کوتاه را به انتهای جلویی نمونه می‌رساند و تغییر دما در انتهای نمونه اندازه‌گیری می‌شود. در محدوده دمایی 373 تا 3273 کلوین کار می کند و هم برای جامدات و هم برای مایعات قابل استفاده است. این مزیت سرعت و دقت بالایی دارد اما بسیار گران است.

روش دبی سنج حرارتی:

روش دبی سنج حرارتی یک تکنیک حالت پایدار است و شبیه به روش صفحه داغ محافظ است با این تفاوت که مبدل‌های شار حرارتی برای اندازه‌گیری جریان گرما در نمونه به جای بخاری اصلی استفاده می‌شوند. شار حرارتی بر اساس مشاهده افت دما در یک مقاومت حرارتی تعیین می شود. جریان سنج حرارتی برای محدوده دمایی 373-573 K استفاده می شود و می توان از آن برای پلاستیک، سرامیک، مواد عایق و شیشه استفاده کرد. مزیت اصلی جریان سنج حرارتی این است که نصب آنها نسبتاً ساده است، اما اندازه گیری دقیق نیست.

کدام مواد دارای بالاترین/کمترین رسانایی حرارتی هستند؟

همانطور که انتظار می رود، موادی که گرما را به خوبی هدایت می کنند، مانند فلزات، نسبت به موادی که گرما را به طور موثری هدایت نمی کنند، مانند پلیمرها و چوب، ثابت هدایت حرارتی بیشتری دارند.

در گروه فلزات، نقره دارای بالاترین ثابت هدایت حرارتی و بیسموت کمترین است.

هدایت حرارتی مایعات غیرفلزی بسیار کمتر از رسانایی حرارتی فلزات است و کمترین رسانایی حرارتی در گازها دیده می شود. در بین گازها، هیدروژن و هلیوم رسانایی حرارتی نسبتا بالایی دارند.

کدام کاربردها به رسانایی حرارتی بالا/کم نیاز دارند؟

مواد تغییر فاز مورد استفاده برای کاربردهای ذخیره انرژی حرارتی مانند سیستم های گرمایش و سرمایش، برای به حداکثر رساندن راندمان باید رسانایی حرارتی بالایی داشته باشند، در حالی که مواد با رسانایی حرارتی پایین معمولاً برای عایق حرارتی استفاده می شوند.