Condutância de contato térmico - Thermal contact conductance

Em física , a condutância de contato térmico é o estudo da condução de calor entre corpos sólidos em contato térmico . O coeficiente de condutividade térmica de contacto , é uma propriedade que indica a condutividade térmica , ou a capacidade de condução de calor , entre os dois corpos em contacto. O inverso dessa propriedade é denominado resistência de contato térmico . ${\ displaystyle h_ {c}}$

Definição

Fig. 1: Fluxo de calor entre dois sólidos em contato e a distribuição da temperatura.

Quando dois corpos sólidos entram em contato, como A e B na Figura 1, o calor flui do corpo mais quente para o corpo mais frio. Por experiência, o perfil de temperatura ao longo dos dois corpos varia, aproximadamente, como mostrado na figura. Uma queda de temperatura é observada na interface entre as duas superfícies em contato. Este fenômeno é dito ser o resultado de uma resistência de contato térmico existente entre as superfícies de contato. A resistência de contato térmico é definida como a razão entre essa queda de temperatura e o fluxo de calor médio na interface.

De acordo com a lei de Fourier , o fluxo de calor entre os corpos é encontrado pela relação:

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

( 1 )

onde é o fluxo de calor, é a condutividade térmica, é a área da seção transversal e é o gradiente de temperatura na direção do fluxo. ${\ displaystyle q}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle dT / dx}$

A partir de considerações de conservação de energia , o fluxo de calor entre os dois corpos em contato, corpos A e B, é encontrado como:

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

( 2 )

Pode-se observar que o fluxo de calor está diretamente relacionado às condutividades térmicas dos corpos em contato, e , à área de contato , e à resistência de contato térmico , que, como observado anteriormente, é o inverso do coeficiente de condutância térmica ,. ${\ displaystyle k_ {A}}$${\ displaystyle k_ {B}}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle 1 / h_ {c}}$${\ displaystyle h_ {c}}$

Importância

A maioria dos valores determinados experimentalmente da resistência de contato térmico caem entre 0,000005 e 0,0005 m ² K / W (a faixa correspondente de condutância de contato térmico é 200.000 a 2000 W / m ² K). Para saber se a resistência de contato térmico é significativa ou não, as magnitudes das resistências térmicas das camadas são comparadas com valores típicos de resistência de contato térmico. A resistência de contato térmico é significativa e pode dominar para bons condutores de calor, como metais, mas pode ser desprezada para condutores de calor ruins, como isoladores. A condutância de contato térmico é um fator importante em uma variedade de aplicações, principalmente porque muitos sistemas físicos contêm uma combinação mecânica de dois materiais. Alguns dos campos onde a condutância de contato é importante são:

• Eletrônicos
  • Embalagem eletronica
  • Dissipadores de calor
  • Colchetes
• Indústria
  • Resfriamento do reator nuclear
  • Resfriamento de turbina a gás
  • Motores de combustão interna
  • Trocadores de calor
  • Isolamento térmico
• Voo
  • Veículos de voo hipersônicos
  • Supervisão térmica para veículos espaciais
• Ciência residencial / construção
  • Desempenho de envelopes de construção

Fatores que influenciam a condutância de contato

Fig. 2: Uma ampliação da interface entre duas superfícies de contato. A qualidade do acabamento é exagerada por causa do argumento.

A condutância de contato térmico é um fenômeno complicado, influenciado por muitos fatores. A experiência mostra que os mais importantes são os seguintes:

Pressão de contato

Para transporte térmico entre dois corpos em contato, como partículas em um meio granular, a pressão de contato é o fator de maior influência na condutância de contato geral. Conforme a pressão de contato aumenta, a área de contato real aumenta e a condutância de contato aumenta (a resistência de contato se torna menor).

Como a pressão de contato é o fator mais importante, a maioria dos estudos, correlações e modelos matemáticos para medição da condutância de contato são feitos em função desse fator.

A resistência de contato térmico de certos tipos de sanduíche de materiais que são fabricados por laminação sob altas temperaturas pode às vezes ser ignorada porque a diminuição da condutividade térmica entre eles é insignificante.

Materiais intersticiais

Não existem superfícies verdadeiramente lisas e as imperfeições da superfície são visíveis ao microscópio . Como resultado, quando dois corpos são pressionados juntos, o contato é realizado apenas em um número finito de pontos, separados por intervalos relativamente grandes, como pode ser mostrado na Fig. 2. Como a área de contato real é reduzida, outra resistência ao fluxo de calor existe. Os gases / fluidos que preenchem essas lacunas podem influenciar amplamente o fluxo total de calor através da interface. A condutividade térmica do material intersticial e sua pressão, examinada por referência ao número de Knudsen , são as duas propriedades que regem sua influência na condutância de contato e no transporte térmico em materiais heterogêneos em geral.

Na ausência de materiais intersticiais, como no vácuo , a resistência de contato será muito maior, pois o fluxo através dos pontos de contato íntimos é dominante.

Rugosidade, ondulação e planura da superfície

Pode-se caracterizar uma superfície que passou por certas operações de acabamento por três propriedades principais: rugosidade, ondulação e dimensão fractal . Entre eles, a rugosidade e a fractalidade são as mais importantes, com a rugosidade frequentemente indicada em termos de um valor rms e a fractalidade da superfície geralmente denotada por D _f . O efeito das estruturas superficiais na condutividade térmica nas interfaces é análogo ao conceito de resistência de contato elétrico , também conhecido como ECR , envolvendo o transporte restrito do patch de contato de fônons ao invés de elétrons. ${\ displaystyle \ sigma}$

Deformações de superfície

Quando os dois corpos entram em contato, a deformação da superfície pode ocorrer em ambos os corpos. Essa deformação pode ser plástica ou elástica , dependendo das propriedades do material e da pressão de contato. Quando uma superfície sofre deformação plástica, a resistência de contato é reduzida, uma vez que a deformação faz com que a área de contato real aumente

Limpeza de superfície

A presença de partículas de poeira , ácidos , etc., também pode influenciar a condutância do contato.

Medição de condutância de contato térmico

Voltando à Fórmula 2, o cálculo da condutância do contato térmico pode ser difícil, até mesmo impossível, devido à dificuldade em medir a área de contato, (um produto das características da superfície, conforme explicado anteriormente). Por causa disso, a condutância / resistência de contato é geralmente encontrada experimentalmente, usando um aparelho padrão. ${\ displaystyle A}$

Os resultados de tais experimentos são geralmente publicados na literatura de engenharia , em periódicos como Journal of Heat Transfer , International Journal of Heat and Mass Transfer , etc. Infelizmente, não existe um banco de dados centralizado de coeficientes de condutância de contato, uma situação que às vezes faz com que as empresas usar dados desatualizados e irrelevantes ou não levar em consideração a condutância de contato.

O CoCoE (Contact Conductance Estimator), projeto fundado para solucionar esse problema e criar um banco de dados centralizado de dados de condutância de contato e um programa de computador que o utiliza, foi iniciado em 2006 .

Condutância de limite térmico

Enquanto uma condutância de contato térmico finita é devida a vazios na interface, ondulação da superfície e rugosidade da superfície, etc., uma condutância finita existe mesmo em interfaces quase ideais também. Essa condutância, conhecida como condutância de limite térmico , é devido às diferenças nas propriedades eletrônicas e vibracionais entre os materiais em contato. Essa condutância é geralmente muito maior do que a condutância de contato térmico, mas se torna importante em sistemas de materiais em nanoescala.

Veja também

• Transferência de calor

Referências

links externos

• Projeto CoCoE - Software livre para estimativa de TCC