थर्मल संपर्क संचालन

भौतिकी में, थर्मल संपर्क चालन थर्मल संपर्क में ठोस या तरल निकायों के बीच गर्मी संचालन का अध्ययन है। थर्मल संपर्क चालन गुणांक, $h_{c}$, संपर्क में दो निकायों के बीच तापीय चालकता, या गर्मी का संचालन करने की क्षमता को इंगित करने वाला गुण है। इस गुण के व्युत्क्रम को थर्मल संपर्क प्रतिरोध कहा जाता है।

परिभाषा

चित्र 1: संपर्क में आए दो ठोस पदार्थों के बीच ऊष्मा का प्रवाह और तापमान वितरण।

जब दो ठोस पिंड संपर्क में आते हैं, जैसे कि चित्र 1 में ए और बी, तो गर्मी गर्म पिंड से ठंडे पिंड की ओर प्रवाहित होती है। अनुभव से, दोनों निकायों का तापमान प्रोफ़ाइल लगभग भिन्न होता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। संपर्क में आने वाली दो सतहों के बीच इंटरफेस पर तापमान में गिरावट देखी गई है। ऐसा कहा जाता है कि यह घटना संपर्क सतहों के बीच मौजूद थर्मल संपर्क प्रतिरोध का परिणाम है। थर्मल संपर्क प्रतिरोध को इस तापमान में गिरावट और इंटरफ़ेस में औसत ताप प्रवाह के बीच के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।

फूरियर के नियम के अनुसार, पिंडों के बीच ऊष्मा का प्रवाह संबंध द्वारा पाया जाता है:

$q=-kA{\frac {dT}{dx}}$

(1)

कहाँ $q$ ऊष्मा का प्रवाह है, $k$ तापीय चालकता है, $A$ पार अनुभागीय क्षेत्र है और $dT/dx$ प्रवाह की दिशा में तापमान प्रवणता है।

ऊर्जा संरक्षण के विचार से, संपर्क में आने वाले दो पिंडों, पिंड A और B के बीच ऊष्मा का प्रवाह इस प्रकार पाया जाता है:

$q={\frac {T_{1}-T_{3}}{X_{A}/(k_{A}A)+1/(h_{c}A)+X_{B}/(k_{B}A)}}$

(2)

कोई यह देख सकता है कि ऊष्मा का प्रवाह सीधे संपर्क में आने वाले पिंडों की तापीय चालकता से संबंधित है, $k_{A}$ और $k_{B}$, संपर्क क्षेत्र $A$, और थर्मल संपर्क प्रतिरोध, $1/h_{c}$, जो, जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, तापीय चालकता गुणांक का व्युत्क्रम है, $h_{c}$.

महत्व

थर्मल संपर्क प्रतिरोध के अधिकांश प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित मान बीच में आते हैं 0.000005 और 0.0005 मी²K/W (थर्मल संपर्क की संगत सीमा चालकता 200,000 से 2000 W/m है²K). यह जानने के लिए कि थर्मल संपर्क प्रतिरोध महत्वपूर्ण है या नहीं, परतों के थर्मल प्रतिरोध के परिमाण की तुलना थर्मल संपर्क प्रतिरोध के विशिष्ट मूल्यों से की जाती है। थर्मल संपर्क प्रतिरोध महत्वपूर्ण है और धातुओं जैसे अच्छे ताप कंडक्टरों के लिए हावी हो सकता है लेकिन इन्सुलेटर जैसे खराब ताप कंडक्टरों के लिए इसे नजरअंदाज किया जा सकता है। थर्मल संपर्क संचालन विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण कारक है, मुख्यतः क्योंकि कई भौतिक प्रणालियों में दो सामग्रियों का यांत्रिकी संयोजन होता है। कुछ ऐसे क्षेत्र जहां संपर्क संचालन का महत्व है:

• इलेक्ट्रानिक्स
  • इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग
  • ताप सिंक ्स
  • कोष्ठक
• उद्योग
  • परमाणु रिएक्टर का ठंडा होना
  • गैस टर्बाइन शीतलन
  • आंतरिक जलन ऊजाएं
  • हीट एक्सचेंजर्स
  • थर्मल इन्सुलेशन
  • ऑटोमोटिव स्टील्स का प्रेस सख्त होना
• उड़ान
  • आवाज़ से जल्द उड़ान वाहन
  • अंतरिक्ष यानों के लिए थर्मल पर्यवेक्षण
• भवन निर्माण विज्ञान|आवासीय/भवन विज्ञान
  • भवन लिफाफों का प्रदर्शन

संपर्क संचालन को प्रभावित करने वाले कारक

चित्र 2: दो संपर्क सतहों के बीच इंटरफ़ेस का विस्तार। तर्क के लिए फिनिश गुणवत्ता को बढ़ा-चढ़ाकर पेश किया गया है।

थर्मल संपर्क संचालन एक जटिल घटना है, जो कई कारकों से प्रभावित होती है। अनुभव से पता चलता है कि सबसे महत्वपूर्ण निम्नलिखित हैं:

संपर्क दबाव

दो संपर्क निकायों के बीच थर्मल परिवहन के लिए, जैसे कि दानेदार माध्यम में कण, संपर्क दबाव समग्र संपर्क संचालन पर सबसे अधिक प्रभाव का कारक है। जैसे-जैसे संपर्क दबाव बढ़ता है, वास्तविक संपर्क क्षेत्र बढ़ता है और संपर्क संचालन बढ़ता है (संपर्क प्रतिरोध छोटा हो जाता है)। चूंकि संपर्क दबाव सबसे महत्वपूर्ण कारक है, संपर्क संचालन के माप के लिए अधिकांश अध्ययन, सहसंबंध और गणितीय मॉडल इस कारक के कार्य के रूप में किए जाते हैं।

उच्च तापमान के तहत रोल करके निर्मित कुछ सैंडविच प्रकार की सामग्रियों के थर्मल संपर्क प्रतिरोध को कभी-कभी नजरअंदाज किया जा सकता है क्योंकि उनके बीच थर्मल चालकता में कमी नगण्य है।

अंतरालीय सामग्री

Main article: interstitial defect

वास्तव में कोई चिकनी सतह मौजूद नहीं है, और सतह की खामियाँ माइक्रोस्कोप के नीचे दिखाई देती हैं। परिणामस्वरूप, जब दो पिंडों को एक साथ दबाया जाता है, तो संपर्क केवल एस्पैरिटी (सामग्री विज्ञान) में किया जाता है, जो अपेक्षाकृत बड़े अंतराल से अलग होता है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया जा सकता है। चूंकि वास्तविक संपर्क क्षेत्र कम हो गया है, गर्मी के लिए एक और प्रतिरोध प्रवाह मौजूद है. इन अंतरालों को भरने वाली गैसें/तरल पदार्थ इंटरफ़ेस में कुल ताप प्रवाह को काफी हद तक प्रभावित कर सकते हैं। अंतरालीय सामग्री की थर्मल चालकता और उसके दबाव, नुडसेन संख्या के संदर्भ के माध्यम से जांच की गई, दो गुण हैं जो संपर्क संचालन पर इसके प्रभाव को नियंत्रित करते हैं, और सामान्य रूप से विषम सामग्रियों में थर्मल परिवहन करते हैं।

अंतरालीय सामग्रियों की अनुपस्थिति में, जैसे निर्वात में, संपर्क प्रतिरोध बहुत बड़ा होगा, क्योंकि अंतरंग संपर्क बिंदुओं के माध्यम से प्रवाह प्रमुख है।

सतह का खुरदरापन, लहरदारपन और सपाटपन

कोई एक ऐसी सतह को चिह्नित कर सकता है जिसमें तीन मुख्य गुणों के आधार पर कुछ सतह परिष्करण कार्य किए गए हैं: खुरदरापन, लहरदारपन और भग्न आयाम। इनमें खुरदरापन और भग्नता सबसे अधिक महत्वपूर्ण है, खुरदरापन अक्सर मूल माध्य वर्ग मान के संदर्भ में इंगित किया जाता है, $\sigma$ और सतह की भग्नता को आम तौर पर डी द्वारा दर्शाया जाता है_f. इंटरफेस पर तापीय चालकता पर सतह संरचनाओं का प्रभाव विद्युत संपर्क प्रतिरोध की अवधारणा के अनुरूप है, जिसे विद्युत संपर्क प्रतिरोध के रूप में भी जाना जाता है, जिसमें इलेक्ट्रॉनों के बजाय फोनन के संपर्क पैच प्रतिबंधित परिवहन शामिल है।

सतह विकृतियाँ

जब दो पिंड संपर्क में आते हैं, तो दोनों पिंडों पर सतह विरूपण (इंजीनियरिंग) हो सकता है। यह विरूपण या तो ठोस पदार्थों का प्लास्टिक विरूपण या विरूपण (इंजीनियरिंग)#लोचदार विरूपण हो सकता है, जो भौतिक गुणों और संपर्क दबाव पर निर्भर करता है। जब कोई सतह प्लास्टिक विरूपण से गुजरती है, तो संपर्क प्रतिरोध कम हो जाता है, क्योंकि विरूपण के कारण वास्तविक संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है

सतह की सफाई

धूल कण, अम्ल आदि की उपस्थिति भी संपर्क संचालन को प्रभावित कर सकती है।

थर्मल संपर्क संचालन का माप

फॉर्मूला 2 पर वापस जाने पर, संपर्क क्षेत्र को मापने में कठिनाई के कारण थर्मल संपर्क संचालन की गणना मुश्किल, यहां तक ​​कि असंभव भी साबित हो सकती है, $A$ (सतह विशेषताओं का एक उत्पाद, जैसा कि पहले बताया गया है)। इस वजह से, संपर्क संचालन/प्रतिरोध आमतौर पर एक मानक उपकरण का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से पाया जाता है। ऐसे प्रयोगों के परिणाम आमतौर पर अभियांत्रिकी साहित्य में, वैज्ञानिक पत्रिकाओं जैसे जर्नल ऑफ हीट ट्रांसफर, पर प्रकाशित होते हैं। /find/journaldescription.cws_home/210/description#description इंटरनेशनल जर्नल ऑफ हीट एंड मास ट्रांसफर, आदि। दुर्भाग्य से, संपर्क चालन गुणांक का एक केंद्रीकृत डेटाबेस मौजूद नहीं है, ऐसी स्थिति जो कभी-कभी कंपनियों को पुराने, अप्रासंगिक डेटा का उपयोग करने का कारण बनती है, या संपर्क संचालन को बिल्कुल भी विचार के रूप में नहीं लेना।

CoCoE (कॉन्टैक्ट कंडक्टेंस एस्टिमेटर), इस समस्या को हल करने और कॉन्टैक्ट कंडक्टेंस डेटा का एक केंद्रीकृत डेटाबेस और इसका उपयोग करने वाला एक कंप्यूटर प्रोग्राम बनाने के लिए स्थापित एक परियोजना, 2006 में शुरू की गई थी विज्ञान।

थर्मल सीमा संचालन

जबकि एक परिमित थर्मल संपर्क चालन इंटरफ़ेस, सतह की लहरता, और सतह खुरदरापन आदि पर रिक्तियों के कारण होता है, एक परिमित संचालन आदर्श इंटरफेस के निकट भी मौजूद होता है। यह संचालन, जिसे इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध के रूप में जाना जाता है, संपर्क सामग्रियों के बीच इलेक्ट्रॉनिक और कंपन गुणों में अंतर के कारण होता है। यह चालन आम तौर पर थर्मल संपर्क चालन से बहुत अधिक है, लेकिन नैनोस्केल सामग्री प्रणालियों में महत्वपूर्ण हो जाता है।

यह भी देखें

• गर्मी का हस्तांतरण