المناهج

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.

يعتمد معدل نقل الحرارة على حجم تدرج درجة الحرارة ، والخصائص الحرارية المحددة للمادة ،

ويتم تحديد الموصلية الحرارية باستخدام الأنظمة الدولية للوحدة (وحدة SI) من W / m • K (وات لكل متر لكل درجة كلفن)، وهي مقاومة متبادلة للمقاومة الحرارية ، والتي تقيس قدرة الأشياء على مقاومة نقل الحرارة. يمكن حساب الموصلية الحرارية باستخدام المعادلة التالية: (k = Q \ ast {L / A} (T2-T1)k = Q ∗ L / A ( T 2 – T 1 )

تغير الموصلية الحرارية

تعتمد الموصلية الحرارية لمواد معينة بشكل كبير على عدد من العوامل. وتشمل هذه تدرج درجة الحرارة ، و خصائص المادة ،

وطول المسار الذي تتبعه الحرارة. تختلف الموصلية الحرارية للمواد من حولنا بشكل كبير ، من تلك ذات الموصلية المنخفضة مثل الهواء بقيمة 0.024 واط / م • ك عند 0 درجة مئوية إلى المعادن عالية التوصيل 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

نظرًا لحقيقة أن الحركة الجزيئية هي أساس التوصيل الحراري ، فإن درجة حرارة المادة لها تأثير كبير على الموصلية الحرارية.

سوف تتحرك الجزيئات بسرعة أكبر عند درجات حرارة أعلى ، وبالتالي سيتم نقل الحرارة من خلال المادة بمعدل أعلى. هذا يعني أن الموصلية الحرارية للعينة نفسها لديها القدرة على التغيير بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة أو نقصانها.

إن القدرة على فهم تأثير درجة الحرارة على التوصيل الحراري أمر بالغ الأهمية لضمان تصرف المنتجات كما هو متوقع عند تعرضها للضغط الحراري. هذا مهم بشكل خاص 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.

عند مناقشة اتجاهات الموصلية الحرارية ، يمكن تقسيم المواد إلى ثلاث فئات ؛ الغازات والمواد الصلبة غير المعدنية والمواد الصلبة المعدنية. يمكن أن تعزى القدرات المختلفة لهذه الفئات الثلاث من حيث نقل الحرارة إلى الاختلافات في هياكلها وحركاتها الجزيئية.

تحتوي الغازات على موصلات حرارية أقل ، لأن جزيئاتها ليست معبأة بإحكام مثل تلك الموجودة في المواد الصلبة ، وبالتالي فإن نقل الحرارة يعتمد بشكل كبير على الحركة الحرة للجزيئات والسرعة الجزيئية.

الغازات هي أجهزة إرسال حرارية ضعيفة. في المقابل ، ترتبط الجزيئات في المواد الصلبة غير المعدنية بشبكة شبكية ، وبالتالي تحدث الموصلية الحرارية في المقام الأول من خلال الاهتزازات في هذه الشبكات. القرب الشديد من هذه الجزيئات بالمقارنة مع تلك الغازات يعني أن المواد الصلبة غير المعدنية لها موصلية حرارية أعلى من الاثنين ، ولكن هناك اختلاف كبير داخل هذه المجموعة.

يُعزى هذا الاختلاف جزئيًا إلى كمية الهواء الموجودة داخل المادة الصلبة ، حيث تعد المواد التي تحتوي على عدد كبير من جيوب الهواء عوازل ممتازة ، في حين أن تلك التي يتم تعبئتها عن كثب سيكون لها قيمة أعلى من الموصلية الحرارية.

تختلف الموصلية الحرارية في المواد الصلبة المعدنية مرة أخرى عن الأمثلة السابقة. المعادن لديها أعلى الموصلية الحرارية من أي مواد باستثناء الجرافين ، ولها مزيج فريد من امتلاك الموصلية الحرارية والكهربائية. يتم نقل كل من هذه السمات من قبل نفس الجزيئات ، ويتم تفسير العلاقة بين الاثنين من خلال قانون  Wiedemann-Franz . يشهد هذا القانون على أن الموصلية الكهربائية عند درجة حرارة معينة ستكون متناسبة مع الموصلية الحرارية ، ولكن مع زيادة درجة الحرارة ، ستنمو الموصلية الحرارية للمادة بينما تنكمش الموصلية الكهربائية.

قياس الموصلية الحرارية

الموصلية الحرارية هي عنصر حاسم في العلاقة بين المواد ، والقدرة على فهمها تمكننا من تحقيق أفضل أداء من المواد التي نستخدمها في جميع جوانب حياتنا. يعد اختبار وقياس الموصلية الحرارية الفعالة أمرًا بالغ الأهمية لهذا المسعى. يمكن تصنيف طرق اختبار الموصلية الحرارية إما على أنها حالة ثابتة أو عابرة. هذا التحديد هو سمة مميزة لكيفية عمل كل طريقة. تتطلب طرق الحالة المستقرة أن تكون العينة والقطع المرجعية في حالة توازن حراري قبل بدء القياسات. لا تتطلب الطرق العابرة تحقيق هذه القاعدة ، وبالتالي تقدم نتائج أسرع.

موصلية منخفضة جدا

رغاوي النيوبرين المغلفة بخلايا النوبلين المغلفة بغاز نوبل لتحقيق الموصلية الحرارية منخفضة للغاية

تستخدم رغوة الخلايا المغلقة على نطاق واسع كملابس واقية في البيئات القاسية. فاستخدام المواد القائمة على النيوبرين في ملابس الغوص من خلال تطوير استراتيجية لتقليل الموصلية الحرارية لرغوة البولي كلوروبين الخلوية المرنة والمغلقة.

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

تحلل هذه الدراسة سيراميك موليت يتكون من الرغوة ودمج النشا لمسحوق موليت ، وكيف تتغير الموصلية الحرارية مع مسامية السيراميك. تم قياس الموصلية الحرارية من خلال طريقة مصدر القرص الساخن (TPS) باستخدام TPS 2500 S كلما زادت مسامية سيراميك الموليت ، زادت الموصلية الحرارية.

موصلية حرارية عالية

مادة تغيير النانو الجرافيت\البارافين مع الموصلية الحرارية العالية

تم تحضير مركبات الجرافيت نانو (NG)/ البارافين كمواد تغيير المرحلة المركبة. أدت إضافة NG إلى زيادة الموصلية الحرارية للمادة المركبة. المادة التي تحتوي على 10٪ NG لها موصلية حرارية 0.9362 W / m • K

النقل الحراري

النقل الحراري للزيت ومركبات البوليمر المملوءة بأنابيب الكربون النانوية

تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) بموصلية حرارية عالية للغاية ويمكن أن ترفع الموصلية الحرارية لمصفوفة البوليمر عند استخدامها كمضاف. أظهرت الأبحاث السابقة أن الاتجاه العشوائي لـ CNT في مصفوفات البوليمر يعطي قيمة توصيل حراري أقل بكثير من اتجاه المحاذاة المحدد.

قاس هذا الاختبار الموصلية الحرارية للزيوت والبوليمرات بإضافة الأنابيب النانوية الكربونية باستخدام Hot Disk TPS 2500S كانت النتائج مشجعة ، مع زيادة الموصلية الحرارية للمركبات بشكل خطي مع كمية CNTs المضافة.

تسببت المحاذاة العفوية للأنابيب النانوية الكربونية في مصفوفة البوليمر البلورية السائلة في زيادة كبيرة في الانتشار الحراري. وخلص الباحثون إلى أن الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن مادة حشو فعالة للاستخدام في زيادة الموصلية الحرارية للمركبات وتحسين أدائها الحراري.

السابق
نظائر الحديد الثقيلة
التالي
النظرية البنائية الوظيفية