Thermal conductance and resistance
ऊष्मा हस्तांतरण में, ऊष्मीय अभियांत्रिकी और ऊष्मागतिकी, ऊष्मीय चालकता और ऊष्मीय प्रतिरोध मौलिक अवधारणाएँ हैं जो ऊष्मा का संचालन करने के लिए सामग्री या प्रणालियों की क्षमता और ऊष्मा प्रवाह के विरोध का वर्णन करती हैं। इन गुणों में हेरफेर करने की क्षमता इंजीनियरों को तापमान प्रवणता को नियंत्रित करने, थर्मल सदमे को रोकने और थर्मल प्रणालियों की दक्षता को अधिकतम करने की अनुमति देती है। इसके अलावा, ये सिद्धांत सामग्री विज्ञान, मैकेनिकल इंजीनियरिंग, इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा प्रबंधन सहित कई क्षेत्रों में अनुप्रयोग पाते हैं। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए औद्योगिक प्रक्रियाओं में कुशल तापमान नियंत्रण, तापीय इन्सुलेशन और तापीय प्रबंधन को डिजाइन करने से लेकर विभिन्न वैज्ञानिक, इंजीनियरिंग और रोजमर्रा के अनुप्रयोगों में इन सिद्धांतों का ज्ञान महत्वपूर्ण है। तापीय चालकता (सी) किसी सामग्री या प्रणाली की ऊष्मा का संचालन करने की क्षमता को मापती है। यह उस आसानी के बारे में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है जिसके साथ गर्मी किसी विशेष प्रणाली से गुजर सकती है। इसे वाट प्रति केल्विन (डब्ल्यू/के) की इकाइयों में मापा जाता है। यह ऊष्मा विनिमायकों, ऊष्मीय रूप से कुशल सामग्रियों और विभिन्न इंजीनियरिंग प्रणालियों के डिजाइन में आवश्यक है जहां ऊष्मा की नियंत्रित गति महत्वपूर्ण है। इसके विपरीत, तापीय प्रतिरोध (आर) किसी सामग्री या प्रणाली में ताप प्रवाह के विरोध को मापता है। इसे केल्विन प्रति वाट (के/डब्ल्यू) की इकाइयों में मापा जाता है और यह इंगित करता है कि सामग्री या वस्तु के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह (वाट में) की एक इकाई को स्थानांतरित करने के लिए कितना तापमान अंतर (केल्विन में) आवश्यक है। भवन इन्सुलेशन को अनुकूलित करना, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की दक्षता का मूल्यांकन करना और विभिन्न अनुप्रयोगों में हीट सिंक के प्रदर्शन को बढ़ाना आवश्यक है। रबर जैसे इंसुलेटर से बनी वस्तुओं में बहुत अधिक प्रतिरोध और कम चालकता होती है, जबकि धातु जैसे कंडक्टरों से बनी वस्तुओं में बहुत कम प्रतिरोध और उच्च चालकता होती है। इस संबंध की मात्रा प्रतिरोधकता या चालकता द्वारा निर्धारित की जाती है। हालाँकि, किसी सामग्री की प्रकृति ही एकमात्र कारक नहीं है क्योंकि यह किसी वस्तु के आकार और आकार पर भी निर्भर करती है क्योंकि ये गुण गहन होने के बजाय व्यापक होते हैं। तापीय चालकता और प्रतिरोध के बीच का संबंध इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में विद्युत चालकता और प्रतिरोध के बीच के संबंध के समान है। थर्मल इंसुलेन्स (आर-मान) ऊष्मा प्रवाह के प्रति सामग्री के प्रतिरोध का एक माप है। यह निर्धारित करता है कि कोई सामग्री चालन, संवहन और विकिरण के माध्यम से गर्मी के हस्तांतरण का कितनी प्रभावी ढंग से विरोध कर सकती है। इसकी एस. आई. इकाइयों में वर्ग मीटर केल्विन प्रति वाट (एम. 2. के./डब्ल्यू) या शाही इकाइयों में वर्ग फुट डिग्री फ़ारेनहाइट-घंटे प्रति ब्रिटिश थर्मल इकाई (एफ. टी. 2. एफ. एच./बी. टी. यू.) हैं। थर्मल इंसुलेन्स जितना अधिक होगा, उतनी ही बेहतर सामग्री गर्मी हस्तांतरण के खिलाफ इन्सुलेट करती है। इसका उपयोग आमतौर पर निर्माण में दीवारों, छतों और इन्सुलेशन उत्पादों जैसी सामग्रियों के इन्सुलेशन गुणों का आकलन करने के लिए किया जाता है। यह लेख इन जटिल अवधारणाओं, उनके गणितीय सूत्रीकरण, विभिन्न उद्योगों में उनके व्यावहारिक अनुप्रयोगों, गर्मी हस्तांतरण की समझ में उनके ऐतिहासिक विकास और प्रौद्योगिकी और रोजमर्रा की जिंदगी पर उनके प्रभाव की गहराई से पड़ताल करता है। यह उन कारकों पर भी ध्यान देता है जो इन गुणों को प्रभावित करते हैं, जैसे कि सामग्री संरचना, ज्यामिति और तापमान अंतर। इन अवधारणाओं की खोज करके, पाठक ऊष्मा ऊर्जा के प्रवाह को नियंत्रित करने वाले मौलिक सिद्धांतों और आधुनिक दुनिया में उनके व्यापक अनुप्रयोगों के लिए गहरी सराहना प्राप्त करेंगे। व्यावहारिक अनुप्रयोग तापीय चालकता और प्रतिरोध के विभिन्न क्षेत्रों में कई व्यावहारिक अनुप्रयोग हैंः निर्माण इन्सुलेशनः तापीय प्रतिरोध को समझने से ऊष्मा हस्तांतरण को कम करने के लिए प्रभावी इन्सुलेशन सामग्री के साथ ऊर्जा-कुशल इमारतों को डिजाइन करने में मदद मिलती है। इलेक्ट्रानिक्स कूलिंगः अत्यधिक गर्मी को रोकने के लिए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में हीट सिंक और थर्मल प्रबंधन प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए थर्मल प्रतिरोध महत्वपूर्ण है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में प्रभावी हीट सिंक और कूलिंग सिस्टम को डिजाइन करने के लिए थर्मल कंडक्टेंस की गणना करना महत्वपूर्ण है। मोटर वाहन डिजाइनः मोटर वाहन इंजीनियर शीतलन प्रणाली को अनुकूलित करने और इंजनों और अन्य वाहन घटकों में अत्यधिक गर्मी को रोकने के लिए तापीय प्रतिरोध का उपयोग करते हैं। तापीय प्रतिरोध का मूल्यांकन इंजन घटकों और मोटर वाहन शीतलन प्रणालियों को डिजाइन करने में मदद करता है। कुकवेयर डिजाइनः समान गर्मी वितरण और खाना पकाने की दक्षता सुनिश्चित करने के लिए कुकवेयर डिजाइन करने के लिए तापीय चालकता महत्वपूर्ण है। ताप वितरण के लिए रसोई के बर्तनों को डिजाइन करने में तापीय चालकता का आकलन करना महत्वपूर्ण है। ऊष्मा विनिमायकः एच. वी. ए. सी. और रासायनिक प्रसंस्करण जैसे उद्योगों में, ऊष्मा विनिमायक तरल पदार्थों के बीच ऊष्मा को कुशलता से स्थानांतरित करने के लिए ऊष्मीय चालकता का उपयोग करते हैं। एयरोस्पेसः अंतरिक्ष यान और विमान में, चरम वातावरण में तापमान भिन्नताओं के प्रबंधन के लिए तापीय प्रतिरोध और चालकता महत्वपूर्ण हैं। अंतरिक्ष यान और विमानन प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए तापमान की चरम सीमाओं को प्रबंधित करने के लिए तापीय चालकता और प्रतिरोध पर विचार करने की आवश्यकता होती है। क्रायोजेनिक्सः सुपरकंडक्टर्स और चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली क्रायोजेनिक प्रणालियों के डिजाइन के लिए तापीय गुणों को समझना महत्वपूर्ण है। ऊर्जा दक्षताः ऊर्जा क्षेत्र में, तापीय प्रतिरोध और चालकता बिजली संयंत्रों और ऊर्जा कुशल उपकरणों के लिए कुशल ताप विनिमायकों को डिजाइन करने में भूमिका निभाते हैं। चिकित्सा उपकरणः सटीक संचालन तापमान बनाए रखने के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एम. आर. आई.) मशीनों और लेजर प्रणालियों जैसे चिकित्सा उपकरणों के लिए तापीय प्रबंधन महत्वपूर्ण है। चिकित्सा उपकरणों और लेजर प्रणालियों की सुरक्षा और प्रदर्शन के लिए उचित तापीय प्रबंधन सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है। खाद्य प्रसंस्करणः खाद्य उद्योग पाश्चराइजेशन और खाना पकाने जैसी प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए तापीय चालकता के ज्ञान का उपयोग करता है और खाद्य प्रसंस्करण के लिए उपकरण जैसे ओवन और प्रशीतन इकाइयों को डिजाइन करता है। सामग्री विज्ञानः शोधकर्ता ऊर्जा भंडारण और उन्नत कोटिंग्स सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए नई सामग्री विकसित करने के लिए तापीय चालकता डेटा का उपयोग करते हैं। पर्यावरण विज्ञानः पृथ्वी के वायुमंडल और महासागरों में गर्मी हस्तांतरण को समझने के लिए जलवायु अध्ययनों में तापीय प्रतिरोध पर विचार किया जाता है। तापीय प्रतिरोध का मूल्यांकन पर्यावरण और कृषि अनुसंधान के लिए मिट्टी के तापमान प्रोफाइल का अध्ययन करने में उपयोगी है। हीटिंग, वेंटिलेशन और एयर कंडीशनिंग (एच. वी. ए. सी.): थर्मल प्रतिरोध को समझना बेहतर ऊर्जा दक्षता के लिए हीटिंग, वेंटिलेशन और एयर कंडीशनिंग सिस्टम को अनुकूलित करने में सहायता करता है। तापीय पैकेजिंगः परिवहन के दौरान संवेदनशील वस्तुओं की सुरक्षा के लिए उचित तापीय चालकता और प्रतिरोध सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है। सौर ऊर्जा प्रणालियाँः सौर संग्रहकर्ताओं और तापीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के डिजाइन में तापीय प्रतिरोध को समझना महत्वपूर्ण है। विनिर्माण प्रक्रियाएँः वेल्डिंग, ताप उपचार और धातु कास्टिंग जैसी प्रक्रियाओं में तापीय चालकता को नियंत्रित करना आवश्यक है। भू-तापीय ऊर्जाः भू-तापीय ताप विनिमायकों और ऊर्जा उत्पादन में तापीय चालकता का आकलन करना महत्वपूर्ण है। थर्मल इमेजिंगः इन्फ्रारेड कैमरा और थर्मल इमेजिंग उपकरण तापमान भिन्नताओं का पता लगाने के लिए थर्मल चालकता के सिद्धांतों का उपयोग करते हैं। पूर्ण तापीय प्रतिरोध एक संरचना में तापमान का अंतर है जब ऊष्मा ऊर्जा की एक इकाई इकाई समय में इसके माध्यम से बहती है। यह तापीय चालकता का पारस्परिक है। निरपेक्ष तापीय प्रतिरोध की एस. आई. इकाई केल्विन प्रति वाट (के/डब्ल्यू) या समतुल्य डिग्री सेल्सियस प्रति वाट (डिग्री सेल्सियस/डब्ल्यू) है-दोनों समान हैं क्योंकि अंतराल समान हैंः ΔT = 1 के = 1 डिग्री सेल्सियस। इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरों के लिए सामग्री का तापीय प्रतिरोध बहुत दिलचस्प है क्योंकि अधिकांश विद्युत घटक गर्मी उत्पन्न करते हैं और उन्हें ठंडा करने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉनिक घटक खराब हो जाते हैं या विफल हो जाते हैं यदि वे अधिक गर्म हो जाते हैं, और कुछ भागों को इसे रोकने के लिए नियमित रूप से डिजाइन चरण में किए गए उपायों की आवश्यकता होती है। सादृश्य और नामकरण विद्युत इंजीनियर ओम के नियम से परिचित हैं और इसलिए अक्सर थर्मल प्रतिरोध से जुड़ी गणना करते समय इसे एक सादृश्य के रूप में उपयोग करते हैं। मैकेनिकल और स्ट्रक्चरल इंजीनियर हुक के नियम से अधिक परिचित हैं और इसलिए अक्सर थर्मल प्रतिरोध से जुड़ी गणना करते समय इसे एक सादृश्य के रूप में उपयोग करते हैं। एक इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण से समतुल्य तापीय परिपथ की व्याख्या ऊष्मा प्रवाह को एक विद्युत परिपथ के अनुरूप बनाया जा सकता है जहां ऊष्मा प्रवाह को धारा द्वारा दर्शाया जाता है, तापमान को वोल्टेज द्वारा दर्शाया जाता है, ऊष्मा स्रोतों को निरंतर धारा स्रोतों द्वारा दर्शाया जाता है, पूर्ण तापीय प्रतिरोध को प्रतिरोधकों द्वारा और तापीय धारिता को संधारित्रों द्वारा दर्शाया जाता है। आरेख एक हीट सिंक के साथ एक अर्धचालक उपकरण के लिए एक समकक्ष थर्मल सर्किट दिखाता है। उदाहरण गणना ऊष्मा चालन के लिए फ़ोरियर के नियम से व्युत्पन्न ऊष्मा चालन के लिए फ़ोरियर के नियम से, निम्नलिखित समीकरण प्राप्त किया जा सकता है, और तब तक मान्य है जब तक कि सभी मापदंड (x और k) पूरे नमूने में स्थिर हैं। जहाँः क्या नमूने की मोटाई के पार पूर्ण तापीय प्रतिरोध (के/डब्ल्यू) नमूने की मोटाई (एम) है (गर्मी प्रवाह के समानांतर पथ पर मापा जाता है) नमूने की तापीय चालकता (डब्ल्यू/(के. एम.)) थर्मल प्रतिरोधकता (के. एम./डब्ल्यू) है। नमूने के पार तापमान प्रवणता और नमूने के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह के संदर्भ में, संबंध हैः जहाँः नमूने की मोटाई के पार पूर्ण ऊष्मीय प्रतिरोध (K/W) है, नमूने की मोटाई (m) है (ऊष्मा प्रवाह के समानांतर पथ पर मापा जाता है), नमूने के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह (W·m−2) है, नमूने के पार तापमान प्रवणता (K·m−1) है, नमूने के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह के पथ के लंबवत पार-अनुभागीय क्षेत्र (m2) है, नमूने के माध्यम से तापमान अंतर (K) है, नमूने के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह (W) की दर है। विद्युत प्रतिरोध सादृश्य के साथ समस्याएं फिलिप्स के शोधकर्ता क्लेमेंस जे. एम. लासेंस द्वारा 2008 में लिखे गए एक समीक्षा पत्र में कहा गया हैः "हालांकि चालन द्वारा ऊष्मा प्रवाह (फूरियर का नियम) और विद्युत प्रवाह (ओम का नियम) के बीच एक समानता है, तापीय चालकता और विद्युत चालकता के संबंधित भौतिक गुण सामान्य स्थितियों में बिजली के प्रवाह के विपरीत ऊष्मा प्रवाह के व्यवहार को बनाने की साजिश करते हैं। [.] दुर्भाग्य से, हालांकि विद्युत और तापीय विभेदक समीकरण समान हैं, लेकिन यह निष्कर्ष निकालना गलत है कि विद्युत और तापीय प्रतिरोध के बीच कोई व्यावहारिक समानता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक सामग्री जिसे विद्युत के संदर्भ में एक अवाहक माना जाता है, वह एक सामग्री की तुलना में कम प्रवाहकीय परिमाण के लगभग 20 क्रम है जिसे एक चालक माना जाता है, जबकि, तापीय संदर्भ में, एक "अवाहक" और एक "चालक" के बीच का अंतर केवल परिमाण के तीन क्रम के बारे में है। तापीय चालकता की पूरी सीमा तब उच्च-डोप्ड और निम्न-डोप्ड सिलिकॉन की विद्युत चालकता में अंतर के बराबर होती है। मापन मानक परिवेशीय स्थितियों के आधार पर जंक्शन-से-वायु तापीय प्रतिरोध बहुत भिन्न हो सकता है। (एक ही तथ्य को व्यक्त करने का एक अधिक परिष्कृत तरीका यह है कि जंक्शन-से-परिवेश तापीय प्रतिरोध सीमा-शर्त स्वतंत्र (बीसीआई) नहीं है।) जे. ई. डी. ई. सी. में प्राकृतिक संवहन के तहत इलेक्ट्रॉनिक्स पैकेजों के जंक्शन-टू-एयर थर्मल प्रतिरोध को मापने के लिए एक मानक (संख्या जे. ई. एस. डी. 51-2) और जबरन संवहन के तहत माप के लिए एक अन्य मानक (संख्या जे. ई. एस. डी. 51-6) है। जंक्शन-टू-बोर्ड थर्मल प्रतिरोध (सतह-माउंट तकनीक के लिए प्रासंगिक) को मापने के लिए एक जे. ई. डी. ई. सी. मानक को जे. ई. एस. डी. 51-8 के रूप में प्रकाशित किया गया है। जंक्शन-टू-केस थर्मल प्रतिरोध (जे. ई. एस. डी. 51-14) को मापने के लिए एक जे. ई. डी. ई. सी. मानक अपेक्षाकृत नया है, जिसे 2010 के अंत में प्रकाशित किया गया था; यह केवल एक ही गर्मी प्रवाह और एक उजागर शीतलन सतह वाले पैकेजों से संबंधित है। जब प्रतिरोध श्रृंखला में होते हैं, तो कुल प्रतिरोध प्रतिरोधों का योग होता हैः समानांतर तापीय प्रतिरोध इसी तरह विद्युत परिपथों के लिए, स्थिर अवस्था स्थितियों के लिए कुल तापीय प्रतिरोध की गणना निम्नानुसार की जा सकती है। कुल तापीय प्रतिरोध समीकरण को सरल बनाते हुए, हम पाते हैं चालन के लिए तापीय प्रतिरोध के शब्दों के साथ, हम श्रृंखला और समानांतर में प्रतिरोध प्राप्त करते हैं यह अक्सर एक आयामी स्थितियों को मानने के लिए उपयुक्त होता है, हालांकि गर्मी का प्रवाह बहुआयामी होता है। अब, इस मामले के लिए दो अलग-अलग परिपथों का उपयोग किया जा सकता है। मामले (ए) (चित्र में दिखाए गए) के लिए, हम एक्स-दिशा के लिए सामान्य के लिए समतापीय सतहों का अनुमान लगाते हैं, जबकि मामले (बी) के लिए हम एक्स-दिशा के समानांतर एडियाबेटिक सतहों का अनुमान लगाते हैं। हम कुल प्रतिरोध के लिए अलग-अलग परिणाम प्राप्त कर सकते हैं और ऊष्मा हस्तांतरण के वास्तविक संबंधित मूल्यों को इसके द्वारा वर्गीकृत किया जाता है। जब बहुआयामी प्रभाव अधिक महत्वपूर्ण हो जाते हैं, तो ये अंतर बढ़ने के साथ बढ़ जाते हैं। रेडियल दिशा में तापमान प्रवणता के कारण रेडियल प्रणालियों को गोलाकार और बेलनाकार प्रणालियों को एक-आयामी माना जा सकता है। मानक विधि का उपयोग स्थिर अवस्था स्थितियों में रेडियल प्रणालियों के विश्लेषण के लिए किया जा सकता है, जो ऊष्मा समीकरण के उपयुक्त रूप से शुरू होता है, या वैकल्पिक विधि, जो फूरियर के नियम के उपयुक्त रूप से शुरू होती है। बिना ऊष्मा उत्पादन के स्थिर अवस्था स्थितियों में एक खोखले सिलेंडर के लिए, ऊष्मा समीकरण का उपयुक्त रूप है जहाँ एक चर के रूप में माना जाता है। फूरियर के नियम के उपयुक्त रूप को ध्यान में रखते हुए, एक चर के रूप में माने जाने का भौतिक महत्व तब स्पष्ट हो जाता है जब एक बेलनाकार सतह पर ऊर्जा जिस दर से संचालित की जाती है, इसे इस रूप में दर्शाया जाता है कि वह क्षेत्र कहाँ है जो उस दिशा में सामान्य है जहाँ ऊष्मा हस्तांतरण होता है। समीकरण 1 का तात्पर्य है कि मात्रा त्रिज्या पर निर्भर नहीं है, यह समीकरण 5 से पता चलता है कि ताप हस्तांतरण दर, त्रिज्या की दिशा में एक स्थिरांक है। बेलन में तापमान वितरण निर्धारित करने के लिए, उचित सीमा स्थितियों को लागू करते हुए समीकरण 4 को हल किया जा सकता है। इस धारणा के साथ जो स्थिर है निम्नलिखित सीमा स्थितियों का उपयोग करते हुए, स्थिरांक और गणना की जा सकती है और सामान्य समाधान हमें देता है और सामान्य समाधान के लिए हल करने और प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं। यह मानते हुए कि तापमान वितरण, समीकरण 7, का उपयोग समीकरण 5 में फूरियर के नियम के साथ किया जाता है, गर्मी हस्तांतरण दर को निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जा सकता है अंत में, एक बेलनाकार दीवार में रेडियल चालन के लिए, थर्मल प्रतिरोध इस तरह का होता है कि थर्मल इंजीनियरिंग थर्मल डिजाइन शक्ति भी देखें। के. एनालीपुर, एस. सादेघजादेह, एफ. मोलाई। "पॉलीयनिलिन (सी3एन)-ग्राफीन हेटेरोस्ट्रक्चर के लिए इंटरफैशियल थर्मल रेसिस्टेंस इंजीनियरिंग", द जर्नल ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री, 2020। डी. ओ. आई.: माइकल लेंज, गुंथर स्ट्रीडल, उलरिच फ्रोलर (जनवरी 2000) थर्मल रेसिस्टेंस, थ्योरी एंड प्रैक्टिस। इन्फिनियन टेक्नोलॉजीज एजी, म्यूनिख, जर्मनी। निर्देशित ऊर्जा, Inc./IXYSRF (31 मार्च, 2003) आर थीटा और पावर डिसिपेशन तकनीकी नोट। इक्सिस आर. एफ., फोर्ट कॉलिन्स, कोलोराडो। अर्धचालकों में थर्मल प्रतिरोध और बिजली अपव्यय गणना का उदाहरण। आगे पढ़ने के लिए इस विषय पर साहित्य की एक बड़ी मात्रा है। सामान्य तौर पर, "तापीय प्रतिरोध" शब्द का उपयोग करने वाले कार्य अधिक इंजीनियरिंग-उन्मुख होते हैं, जबकि तापीय चालकता शब्द का उपयोग करने वाले कार्य अधिक [शुद्ध-] भौतिकी-उन्मुख होते हैं। निम्नलिखित पुस्तकें प्रतिनिधि हैं, लेकिन आसानी से प्रतिस्थापित की जा सकती हैं। बाहरी लिंक गुओपिंग जू (2006), इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग के लिए तापीय प्रबंधन, जे. ई. डी. ई. सी. तापीय मानकों पर सन माइक्रोसिस्टम अद्यतन बिजली कंपनियों के लिए मृदा तापीय प्रतिरोध का महत्व ताप चालन इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरिंग