تعريف الموصلية الحرارية
تشير الموصلية الحرارية (غالبًا ما يشار إليها بـ k أو λ أو κ) إلى القدرة الجوهرية للمادة على نقل الحرارة أو توصيلها. إنها إحدى الطرق الثلاث لنقل الحرارة ، والطريقتان الأخريتان هما الحمل الحراري والإشعاع. يمكن قياس عمليات نقل الحرارة كميًا من حيث معادلات المعدل المناسبة. تعتمد معادلة المعدل في وضع نقل الحرارة هذا على قانون فورييه لتوصيل الحرارة.
تحدث الموصلية الحرارية من خلال التحريض والاتصال الجزيئي ، ولا تؤدي إلى الحركة السائبة للمادة الصلبة نفسها. تنتقل الحرارة على طول تدرج درجة الحرارة ، من منطقة ذات درجة حرارة عالية وطاقة جزيئية عالية إلى منطقة ذات درجة حرارة منخفضة وطاقة جزيئية أقل. سيستمر هذا النقل حتى الوصول إلى التوازن الحراري.
يتوقف معدل نقل الحرارة على حجم التدرج في درجة الحرارة والخصائص الحرارية الخاصة بالمادة المعينة. يتم قياس الموصلية الحرارية باستخدام النظام الدولي للوحدات (SI) بوحدة واط لكل متر مربع مقابل درجة كلفن وتعتبر مقاومة متبادلة للمقاومة الحرارية، والتي تقيس قدرة الأشياء على مقاومة نقل الحرارة. يمكن حساب الموصلية الحرارية باستخدام المعادلة التالية: k = Q∗L / A (T2-T1)، حيث k هي الموصلية الحرارية وQ هي الكمية الحرارية و L / A هو الطول المقطوع عبر وحدة المساحة العرضية و (T2-T1) هي فروق درجات الحرارة
تغير الموصلية الحرارية
تعتمد قدرة المواد على توصيل الحرارة بشكل كبير على عدة عوامل، بما في ذلك درجة الحرارة وخصائص المادة وطول المسافة التي تسافر فيها الحرارة. تختلف قدرة التوصيل الحراري للمواد المحيطة بنا بشكل كبير، حيث تتراوح من المواد ذات التوصيل الحراري المنخفض مثل الهواء بقيمة 0.024 واط / م • ك عند 0 درجة مئوية إلى المواد ذات التوصيل الحراري العالي مثل النحاس (385 واط / م • ك).
تحدد الموصلية الحرارية للمواد كيف نستخدمها ، على سبيل المثال ، تلك ذات الموصلية الحرارية المنخفضة ممتازة في عزل منازلنا وأعمالنا ، في حين أن مواد الموصلية الحرارية العالية مثالية للتطبيقات التي تحتاج إلى نقل الحرارة بسرعة وكفاءة من منطقة إلى آخر ، كما هو الحال في أواني الطبخ وأنظمة التبريد في الأجهزة الإلكترونية. من خلال اختيار المواد ذات الموصلية الحرارية المناسبة للتطبيق ، يمكننا تحقيق أفضل أداء ممكن.
الموصلية الحرارية و درجة الحرارة
بسبب أن الحركة الجزيئية هي أساس التوصيل الحراري، فإن درجة حرارة المادة تؤثر بشكل كبير على التوصيل الحراري. ستتحرك الجزيئات بسرعة أكبر عند درجات حرارة أعلى، وبالتالي ستنقل الحرارة عبر المادة بمعدل أعلى. هذا يعني أن التوصيل الحراري للعينة نفسها يمكن أن يتغير بشكل كبير مع زيادة أو انخفاض درجة الحرارة.
إن فهم تأثير درجة الحرارة على التوصيل الحراري يعد أمرًا بالغ الأهمية لضمان تصرف المنتجات بشكل صحيح عند تعرضها للضغط الحراري، وهذا يكون خاصةً عند العمل مع المنتجات التي تولد الحرارة، مثل الإلكترونيات، وتطوير مواد مقاومة للحريق والحرارة.
التوصيل الحراري للمواد
تختلف قيم الموصلية الحرارية اختلافًا كبيرًا بين المواد وتعتمد بشكل كبير على بنية كل مادة معينة. تحتوي بعض المواد على قيم توصيل حراري مختلفة اعتمادًا على اتجاه الانتقال الحراري ؛ هذه مواد متباينة الخواص. في هذه الحالات ، تتحرك الحرارة بسهولة أكبر في اتجاه معين بسبب كيفية ترتيب الهيكل.
عندما يتم مناقشة اتجاهات نقل الحرارة، يمكن تقسيم المواد إلى ثلاث فئات: الغازات والمواد الصلبة غير المعدنية والمواد الصلبة المعدنية. يمكن أن ترجع القدرات المختلفة لهذه الفئات الثلاث إلى الاختلافات في هياكلها وحركاتها الجزيئية التي تؤثر على نقل الحرارة.
يتميز الغاز بأن جزيئاتها غير معبأة بإحكام كما هو الحال في المواد الصلبة، لذلك فإنها تحتوي على موصلات حرارية أقل، ويعتمد نقل الحرارة فيها بشكل كبير على الحركة الحرة للجزيئات وسرعتها.
الغازات هي أجهزة إرسال حرارية ضعيفة. بالمقابل، تترابط جزيئات المواد الصلبة غير المعدنية في شبكة مترابطة، وبالتالي يحدث التوصيل الحراري بشكل رئيسي عن طريق الاهتزازات في هذه الشبكات. يعني الاقتراب الكبير بين هذه الجزيئات مقارنة بالغازات أن المواد الصلبة غير المعدنية لها توصيل حراري أعلى من الغازات، ولكن هناك اختلاف كبير داخل هذه المجموعة.
يعتمد الفرق في الموصلية الحرارية جزئيًا على كمية الهواء الموجودة داخل المادة الصلبة، حيث تعد المواد التي تحتوي على العديد من جيوب الهواء عوازل ممتازة، بينما تكون المواد التي يتم تعبئتها بشكل كثيف لها قيمة أعلى في الموصلية الحرارية.
تختلف قدرة التوصيل الحراري في المواد الصلبة المعدنية عن الأمثلة السابقة. المعادن تتمتع بأعلى قدرة توصيل حراري بين جميع المواد باستثناء الجرافين، وتتميز بتوافر فريد للتوصيل الحراري والكهربائي. تتم نقل كل من هذه الخصائص بواسطة نفس الجزيئات، ويتم تفسير العلاقة بينهما باستخدام قانون فيدمان-فرانتز. يؤكد هذا القانون أن القدرة التوصيل الكهربائي في درجة حرارة معينة ستكون متناسبة مع القدرة التوصيل الحراري، ولكن مع زيادة درجة الحرارة، تزداد القدرة التوصيل الحراري للمادة بينما تتناقص القدرة التوصيل الكهربائي.
قياس الموصلية الحرارية
الموصلية الحرارية هي جزء حاسم في العلاقة بين المواد، وفهمها يسمح لنا بتحقيق أفضل أداء من المواد التي نستخدمها في جميع جوانب حياتنا. اختبار وقياس الموصلية الحرارية بطرق فعالة يعد أمرا ذو أهمية كبيرة في هذا السياق. يمكن تصنيف طرق اختبار الموصلية الحرارية إما كطرق ثابتة أو عابرة. هذا التصنيف هو سمة مميزة لكيفية عمل كل طريقة. تتطلب الطرق الثابتة أن تكون العينة والمرجعية في حالة توازن حراري قبل بدء القياسات. بينما لا تتطلب الطرق العابرة تحقيق هذا الشرط، وبالتالي تقدم نتائج مباشرة.
موصلية منخفضة جدا
تم تغليف رغوة النيوبرين بخلايا النوبليوم المغلفة بالغاز النوبلي لتوفير توصيل حراري منخفض جدا
تستخدم رغوة الخلايا المغلقة على نطاق واسع كملابس واقية في البيئات القاسية، وذلك بفضل قدرتها على التحكم في الموصلية الحرارية للمواد القائمة على النيوبرين. وتم تطوير استراتيجية لتقليل الموصلية الحرارية لرغوة البولي كلوروبين الخلوية المرنة والمغلقة وتحسين أدائها كملابس واقية في البيئات الصعبة.
تم قياس التوصيلات الحرارية لرغاوي النيوبرين المشحونة وغير المعدلة باستخدام طريقة مصدر المستوى العابر (TPS) باستخدام مقياس التوصيل الحراري TPS 2500 S. تم العثور على أن بدلة غطس مصنوعة من النيوبرين موصل حراري منخفض جدًا قادر على تمديد أوقات الغوص إلى 2-3 ساعات في الماء أقل من 10 درجات مئوية ، مقارنة بـ ساعة واحدة لأحدث ملابس الغوص.
توصيل حراري منخفض
تحضير سيراميك موليت مسامي مع توصيل حراري منخفض
تتناول هذه الدراسة تحليل سيراميك موليت مصنوع من الرغوة ومزج النشا مع مسحوق الموليت، وكيفية تأثير نسبة التسامي على التوصيل الحراري للسيراميك. وقد تم قياس التوصيل الحراري باستخدام طريقة مصدر القرص الساخن باستخدام جهاز TPS 2500 S، حيث زادت التسامي المزيد زاد التوصيل الحراري.
موصلية حرارية عالية
مادة تعديل النانو الجرافيت/البارافين ذات التوصيل الحراري العالي
تم تحضير مركبات الجرافيت النانوية (NG) / البارافين كمواد تغيير المرحلة المركبة، وأدت إضافة NG إلى زيادة الموصلية الحرارية للمادة المركبة، حيث بلغت موصلية الحرارة للمادة التي تحتوي على 10٪ NG حوالي 0.9362 واط / م • ك
النقل الحراري
نقل الحرارة للزيت والمركبات البوليمرية المحشوة بأنابيب الكربون النانوية
تتميز الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) بموصلية حرارية عالية جدًا، ويمكن استخدامها كمضاف لزيادة الموصلية الحرارية لمصفوفة البوليمر. أظهرت الأبحاث السابقة أن الاتجاه المحدد للأنابيب النانوية الكربونية في مصفوفات البوليمر يؤدي إلى قيمة توصيل حراري أعلى بكثير من الاتجاه العشوائي.
تم قياس الموصلية الحرارية للزيوت والبوليمرات في هذا الاختبار باستخدام إضافة الأنابيب النانوية الكربونية، باستخدام جهاز Hot Disk TPS 2500S، وكانت النتائج مشجعة، حيث زادت الموصلية الحرارية للمركبات بشكل خطي مع زيادة كمية CNTs المضافة.
أدت المحاذاة العفوية للأنابيب النانوية الكربونية في مصفوفة البوليمر البلورية السائلة إلى زيادة كبيرة في الانتشار الحراري. ووجد الباحثون أن الأنابيب النانوية الكربونية تعتبر مادة حشو فعالة لزيادة الموصلية الحرارية للمركبات وتحسين أدائها الحراري.