ما هي الموصلية الحرارية؟ وكيف يتم قياسها؟
الموصلية الحرارية (Thermal Conductivity) هي خاصية تصف قدرة المادة على توصيل الحرارة. يرمز لها عادةً بالرمز k، ووحدتها في النظام الدولي للوحدات هي واط لكل متر كلفن (W/m·K).
تعدّ الموصلية الحرارية معيارًا أساسيًا في قياس انتقال الحرارة بالتوصيل.
تنتقل الحرارة بثلاث طرق:
- التوصيل
- الحمل الحراري
- الإشعاع
يحدث انتقال الحرارة عند وجود فرق في درجة الحرارة بين منطقتين؛ ويتميز التوصيل الحراري بأن الحرارة “تنتقل عبر جسم المادة نفسه”.
في المواد الصلبة، ينعدم الحمل الحراري، ويكون الإشعاع الحراري ضئيلاً عادةً، مما يجعل التوصيل الحراري بالغ الأهمية لوصف السلوك الحراري.
الصيغة الرياضية لانتقال الحرارة
بما أن التوصيل الحراري يحدث عبر المادة، فإنه قد يحدث داخل الجسم نفسه، أو بين مادتين متلامستين. كما تعرَّف الصيغة الأساسية لانتقال الحرارة بالتوصيل بقانون فورييه للتوصيل الحراري (Fourier’s Law of Thermal Conduction):
q = -k∇T
حيث:
- q هو التدفق الحراري (واط/م²)
- ∇T هو تدرج درجة الحرارة (كلفن/م)
- k هي الموصلية الحرارية
يبيّن هذا رياضيًا أن انتقال الحرارة يتناسب طرديًا مع تدرج درجة الحرارة، حيث تُمثّل الموصلية الحرارية للمادة ثابت التناسب. وهذا يعني أن لها تأثيرًا كبيرًا على معدل انتقال الحرارة.
بما أن الموصلية الحرارية خاصية فيزيائية، فإنها تتغير تبعًا لنوع المادة وبنيتها وحالتها.
كما أنها دالة لدرجة الحرارة، وهو أمر مهم يجب مراعاته في التطبيقات التي قد تشهد تغيرات كبيرة في درجة الحرارة، مثل إدارة الحرارة الإلكترونية.
وبالمثل، فإن مقلوب الموصلية الحرارية هو المقاومة الحرارية، وهي خاصية جوهرية تدل على فعالية المادة كعازل.
إقرأ أيضاً… حساسات الحرارة وأنواعها.
الموصلية الحرارية في المواد الصلبة
تتفاوت الموصلية الحرارية في المواد الصلبة بشكل كبير. فعلى سبيل المثال، تتميز المعادن عادةً بموصلية حرارية عالية جدًا نظرًا لحركة الإلكترونات غير المتمركزة داخل الروابط المعدنية.
وهذا ما يسهم في تسخين المعادن بشكل أسرع من مواد أخرى مثل البلاستيك أو الزجاج.
مع ذلك، تنقل جميع المواد الصلبة – بما فيها المعادن – الحرارة عبر اهتزاز الذرات المتجاورة. تتميز بعض المواد الصلبة، مثل الستايروفوم، بانخفاض قيمة ثابت العزل الكهربائي (k) وتعمل كعوازل.
كما يعود ذلك جزئيًا إلى انخفاض قيمة ثابت العزل الكهربائي للهواء الموجود داخل الفراغات الموجودة في هذه المواد.
ومن الأمثلة على أهمية التوصيل الحراري مجال مركبات البوليمر والمضافات. إذ يستخدم البوليمر بشكل متزايد في تطبيقات تبديد الحرارة، بدءًا من الإلكترونيات والأجهزة الطبية الحيوية وصولًا إلى قطع غيار السيارات.
مع ذلك، يتطلب استبدال المعادن والسيراميك في هذه التطبيقات الحساسة للحرارة تحسين الموصلية الحرارية. ويتحقق ذلك باستخدام إضافات تزيد من الموصلية، مثل النحاس والفضة وأنابيب الكربون النانوية والجرافين.
ويمكن استخدام هذه المركبات لإدارة الحرارة، إذ تعمل الموصلية المتزايدة على نقل الحرارة بكفاءة أكبر بعيدًا عن المواد الحساسة.
إلا أن مشاكل توزيع الحشوات في مصفوفة البوليمر قد تؤثر على خصائصها الحرارية. لذا، من الضروري اختبار الأداء الحراري وقياسه كميًا لضمان عمل المركب وفقًا للتصميم.
الموصلية الحرارية ودرجة الحرارة
الموصلية الحرارية خاصية تتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة. فكلما ارتفعت درجة حرارة المادة، زاد النشاط الجزيئي، مما يؤدي إلى زيادة معدل انتقال الحرارة.
لذا، من الضروري فهم كيفية تغير الموصلية الحرارية للمادة ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل للحصول على تقييم دقيق لأدائها العام. ولن تُعطي القياسات التي تُجرى خارج نطاق درجة حرارة التشغيل بيانات دقيقة.
إقرأ أيضاً… تعريف الطاقة الحرارية.
الموصلية الحرارية وبنية المواد
تؤثر بنية المواد بشكل كبير على موصليتها الحرارية. فعلى سبيل المثال، تتميز المعادن بأعلى قيم الموصلية الحرارية نظرًا لطبيعة الروابط المعدنية، مما يسمح بانتقال الطاقة الحرارية بسرعة أكبر بكثير من المواد الأخرى.
كما صممت العديد من المواد الموصلة حراريًا لتُظهر سلوكًا متباين الخواص لأغراض إدارة الحرارة. ويشير تباين الخواص إلى اختلاف الخصائص الفيزيائية عند قياسها على محاور مختلفة.
في كثير من الأحيان، تكون الموصلية الحرارية أعلى بكثير في مستوى معين مقارنةً بالمستوى الآخر. يعزز هذا انتقال الحرارة عبر محور واحد دون الآخر، مما يسمح للحرارة من المواد الحساسة بالخروج دون تسخين أجزاء أخرى من النظام.
في هذه الحالات، من المهم أن يتمكن جهاز القياس من التمييز بدقة بين هذه الخصائص المختلفة.
ومن العوامل المهمة الأخرى التي يجب مراعاتها عند قياس الموصلية الحرارية مسألة عدم التجانس. ومن الطرق الشائعة لزيادة الموصلية الحرارية استخدام مواد مالئة موصلة حراريًا في النظام، وخاصةً في مواد التوصيل الحراري.
مع ذلك، من الضروري فهم توزيع هذه المواد المالئة وكيف يمكن لعوامل مثل الترسيب أن تغير الموصلية الحرارية بشكل كبير، مما يؤدي إلى أداء غير متوقع.
إقرأ أيضاً… أنظمة الطاقة الهجينة: مستقبل الطاقة المستدامة
كيف يتم قياس الموصلية الحرارية؟
من طرق قياس الموصلية الحرارية هو مستشعر مصدر المستوى العابر المُعدَّل (MTPS). وهو مستشعر أحادي الجانب لقياس انعكاس الحرارة عند السطح البيني، وتتراوح أوقات القياس بين ثانية واحدة وثلاث ثوانٍ.
يقيس هذا المستشعر الموصلية الحرارية والانتشارية الحرارية بشكل مباشر، ويعمل ضمن نطاق درجات حرارة من -50 إلى 200 درجة مئوية.
كما يتوافق مع معيار ASTM D7984، ويوصى باستخدامه مع المواد الصلبة والسائلة والمساحيق والمعاجين. يستخدم هذا المستشعر على نطاق واسع نظرًا لسرعة وقت الاختبار وسهولة تحضير العينات.
مستشعر مصدر المستوى العابر هو مستشعر قرص ساخن ثنائي الجانب. يمكنه تحديد الموصلية الحرارية والانتشارية الحرارية وحساب السعة الحرارية النوعية في آنٍ واحد من قياس واحد.
يعمل ضمن نطاق درجات حرارة من -50 إلى 300 درجة مئوية، ويتوافق مع معيار ISO 22007-2، ويوصى باستخدامه مع المواد الصلبة.
أخيرًا، تستخدم طريقة مصدر الخط العابر مستشعرًا على شكل مسبار إبري يُغمر بالكامل في المادة، مما يؤدي إلى تسخينها شعاعيًا.
يستغرق هذا القياس عادةً ما بين دقيقتين و10 دقائق، وهو الأنسب للمواد المنصهرة كالبوليمرات والتربة والحصى والسوائل اللزجة. يتوافق مع معايير ASTM D5334 وD5930 وIEEE 442-1981.
المصادر والمراجع
[1] What is Thermal Conductivity? – byjus.com
[2] Thermal Conductivity – thermtest.com
[3] What is Thermal Conductivity? How is it Measured? – ctherm.com
