ما هي الموصلية الحرارية؟
يحتاج المهندسون إلى معرفة كيفية حساب الموصلية الحرارية لأنها يمكن أن تمنحهم رؤى قيمة حول المواد لمساعدتهم على اتخاذ الاختيار الصحيح.
بشكل أساسي، تتيح لهم معرفة ما إذا كانت المادة عازلة أم موصلة. في هذه المقالة، سنتناول الموصلية الحرارية بمزيد من التفصيل، والعوامل التي يمكن أن تؤثر عليها، والصيغة الدقيقة لحسابها.
ما هي الموصلية الحرارية؟
تشير الموصلية الحرارية إلى مدى سهولة انتقال الحرارة عبر مادة ما، على تدرج من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة منخفضة. إذا كانت المادة عازلة، فستجد عادةً مصطلح “المقاومة الحرارية” مستخدمًا بدلاً من ذلك.
غالبًا ما يتم العثور على الموصلية الحرارية/المقاومة الحرارية تجريبياً. الحساب هو طريقة مفيدة لتحديد ما إذا كانت المادة عازلة أم موصلة. النحاس مادة موصلة للحرارة بدرجة عالية، مما يجعلها مثالية لشيء مثل المشتت الحراري.
ومع ذلك، فإن السيراميك لديه موصلية حرارية منخفضة، لذا فهو مثالي للعزل الحراري. بالنسبة للمبادلات الحرارية، ستكون هناك حاجة إلى موصل حراري جيد، ولكن شيئًا مثل بطانة الفرن يتطلب عازلًا.
تعتبر الموصلية الحرارية مهمة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالطباعة ثلاثية الأبعاد. بالنسبة للمبتدئين، يجب الحفاظ على سرير الطابعة ساخنًا حتى تلتصق الطبقة الأولى به.
عادةً ما تكون ألواح سرير الطابعة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من صفائح الألومنيوم مع عنصر تسخين متصل بالجانب السفلي.
يعد الألومنيوم موصلًا ممتازًا للحرارة، لذلك يمكنه توزيع الحرارة بالتساوي أينما كانت هناك حاجة إليها. هناك حاجة أيضًا إلى موصلية حرارية جيدة لنقل الحرارة من الثرمستور إلى البلاستيك من أجل إذابته.
ولكن من ناحية أخرى، إذا كان هناك أي موصلية حرارية داخل مجموعة الطارد، فقد يتسبب هذا في زحف الحرارة، وفي النهاية، قد تفشل الطباعة.
انتقال الحرارة
لكي تنتقل الحرارة من المنطقة الساخنة إلى المنطقة الباردة من المادة، تحدث عدة أمور. أولاً، ما ندركه على أنه حرارة عندما نلمس شيئًا ساخنًا هو في الواقع اهتزازات على المستوى الذري تحدث داخل المادة.
فعندما تمتص المادة طاقة الحرارة، تتحول هذه الطاقة إلى طاقة حركية، مما يتسبب في تحرك الذرات. ولكن نظرًا لأن الذرات في المواد الصلبة لا تملك مساحة كبيرة للتحرك، فإنها تبدأ في الاهتزاز، وتبدأ الذرات المعرضة للحرارة مباشرة في الاصطدام بجيرانها.
ويثير هذا الاصطدام الذرات المجاورة، فتبدأ هي أيضًا في الاهتزاز. وبينما يحدث هذا ويستمر في التحرك من الجزء الساخن إلى الجزء البارد من المادة، تبدأ الحرارة في التحرك إلى أسفل أيضًا. إنه يشبه نوعًا ما التموج الذي ينتشر من حصاة تصطدم بسطح بركة.
باعتبارها موصلات، يمكن للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية نقل الحرارة من مصدر الحرارة إلى بالوعة الحرارة، مما يحافظ على برودة المعدات. ويمكنها أيضًا نقل الحرارة من مصدر الحرارة إلى سائل أكثر برودة من أجل تسخينه وتوزيع الحرارة بالتساوي، مما قد يمنع الانحناء.
تعد المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة عوازل جيدة، حيث تمنع الحرارة من الهروب من المصدر أو الدخول إلى منطقة حساسة لدرجة الحرارة مثل داخل المركبة الفضائية أثناء إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي. ومع ذلك، فإن الحساب ليس دقيقًا تمامًا.
يمكن أن تتغير الموصلية الحرارية للمادة مع درجة الحرارة. لهذا السبب قد لا تكون بعض الحسابات مناسبة لك إذا تم إجراؤها في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تغطي الموصلية الحرارية عادةً انتقال الحرارة عن طريق التوصيل فقط ولا تتناول حقًا انتقال الحرارة بالحمل الحراري أو الإشعاعي.
إقرأ أيضاً… تعريف الحرارة النوعية.
معادلة التوصيل الحراري
سننتقل مباشرة إلى صيغة حساب التوصيل الحراري. أولاً، ستحتاج إلى معرفة معنى كل الرموز:
k = التوصيل الحراري
Q = التدفق الحراري
A = مساحة المقطع العرضي
ΔT = الفرق في درجة حرارة جانبي المادة
T1 = الجانب الساخن للمادة
T2 = الجانب البارد للمادة
d = طول المادة
سنستخدم شكلًا مبسطًا لقانون فورييه لانتقال الحرارة، ولكن هناك بعض الأشياء التي يجب وضعها في الاعتبار مع هذا القانون. إذا لم تتغير درجة الحرارة على الجانب الساخن، يمكن تصنيف انتقال الحرارة على أنه “حالة مستقرة”، ويتم نقل الحرارة في اتجاه واحد فقط. أيضًا، ستتغير قيمة التوصيل الحراري للمادة اعتمادًا على درجة الحرارة.
كقاعدة عامة، كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت التوصيل الحراري. إذن، إليك:
Q=k . ΔT / d
في هذه الحالة، يكون انتقال الحرارة أحادي البعد وفي حالة مستقرة. يمكننا أيضًا إعادة ترتيب المعادلة، وتبديل قيمة التوصيل الحراري على الجانب الأيسر. إليك كيف تبدو صيغة التوصيل الحراري:
k = Qd / A . ΔT
لكننا لا نوصي بالاعتماد فقط على هذه الصيغة لتحديد التوصيل الحراري للمادة. أفضل طريقة للقيام بذلك هي تجريبياً في ظل ظروف خاضعة للرقابة، وفقًا للمعايير الدولية الصارمة.
ستظهر معظم أوراق بيانات المواد التوصيل الحراري عند درجات حرارة محددة، أو حتى في نطاق من درجات الحرارة.
إقرأ أيضاً… حساسات الحرارة وأنواعها.
العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري
لن تكون حساباتك بهذه المعادلة هي نفسها في كل مرة، حتى لو كان لديك نفس قطعة المادة، وهناك عدة أسباب لذلك:
- درجة الحرارة: تميل العديد من المواد الموصلة، مثل المعدن، إلى انخفاض التوصيل الحراري عندما تسخن.
ومع ارتفاع درجة حرارتها، تبدأ الذرات والفونونات في الاهتزاز بشكل أكثر كثافة، وهذا يقلل من متوسط المسار الحر للإلكترونات الحرة (المعروف باسم تشتت الإلكترونات والفونونات).
بالنسبة للمواد غير المعدنية، يمكن أن تكون العلاقة بين التوصيل الحراري ودرجة الحرارة أكثر تعقيدًا، ويمكن أن تزيد أو تنقص توصيل المادة.
- الكثافة: تميل المواد الأكثر كثافة إلى أن تكون أكثر توصيلًا حراريًا. وهذا يرجع عمومًا إلى أن لديها كثافة ذرات أعلى، مما يساعد على نقل الحرارة عبر الفونونات أو الإلكترونات الحرة.
- الضغط: من الممكن زيادة كثافة المادة عندما تتعرض لضغط مرتفع، وهذا بدوره يمكن أن يجعل المادة أكثر توصيلًا حراريًا. ومع ذلك، هناك احتمال آخر وهو أن الضغط يمكن أن يغير طور المادة – أي من الحالة الصلبة إلى السائلة.
- التركيب: يمكن لأنواع الذرات أو الجزيئات أو الأيونات الموجودة في المادة أن تؤثر أيضًا على توصيلها الحراري.
المواد غير المعدنية، أي البوليمرات أو السيراميك، أقل توصيلًا للحرارة لأن هياكلها الجزيئية أكثر صلابة.
عوامل أخرى
- البنية: يمكن أن تؤثر البنية الشبكية للمادة على النتيجة حيث أن بعضها أفضل في نقل الحرارة من غيرها.
تكون المواد ذات البلورات الأكبر عادةً أفضل في نقل الحرارة لأنها تحتوي على حدود حبيبية أقل (عوائق في الأساس). يمكن أن يكون لشكل البنية البلورية تأثير أيضًا.
الهياكل المكعبة ذات الوجه المركزي (FCC) مثل تلك الموجودة في النحاس أكثر توصيلًا للحرارة من الهياكل المكعبة ذات الجسم المركزي (BCC) مثل تلك الموجودة في الحديد.
- المسامية: في إشارة إلى الفراغات أو جيوب الغاز داخل بنية المادة، يمكن أن تحدث المسامية بشكل طبيعي أو تضاف عن قصد أو موجودة بسبب المعالجة السيئة.
تكون الموصلية الحرارية من خلال هذه الجيوب الصغيرة أقل بكثير من المادة الأساسية. ولكن في النهاية، سيؤدي هذا إلى تقليل الموصلية الحرارية الكلية لتلك المادة.
- الشوائب: يمكن لأي شوائب في المادة أن تؤثر على توصيلها الحراري، وذلك بسبب ما يسمى بتشتت الشوائب الكهربائية. يمكن أن تخلق هذه الشوائب شذوذًا محليًا في الجهد الكهربائي داخل الشبكة البلورية.
يمكن أن يتسبب هذا في تحرك الإلكترونات الحرة بشكل أقل وفي النهاية تقليل التوصيل الحراري للمادة.
