تصف الموصلية الحرارية للفولاذ مدى سهولة انتقال الحرارة عبر المعدن عند وجود تدرج في درجة الحرارة. يُرمز إليها عادةً بالحرف k أو λ، ووحدتها W/(m·K). وتتغير بحسب الدرجة ودرجة الحرارة وحالة المادة. عند 20°C، تشمل القيم المرجعية المنشورة 52 W/(m·K) للفولاذ الكربوني UNS G10200، و15 للدرجتين 304 و316، و25 للفولاذ الفريتي 430. تصلح هذه البيانات للمقارنة ضمن نطاقها المحدد، ولا تضمن القيمة نفسها لكل منتج مورَّد.
يتطلب حساب انتقال الحرارة معرفة الأبعاد والشروط الحدية أيضًا. فقد تكون مقاومة صفيحة رقيقة من الفولاذ المقاوم للصدأ لمرور الحرارة عبر سماكتها صغيرة، رغم انخفاض موصليتها مقارنةً بكثير من أنواع الفولاذ الكربوني.
ما الذي تصفه الموصلية الحرارية؟
تربط الموصلية بين كثافة التدفق الحراري الموضعية وتدرج درجة الحرارة. في التوصيل أحادي البعد، يكتب قانون فورييه بالشكل q″ = −k(dT/dx)، حيث q″ معدل انتقال الحرارة لكل وحدة مساحة بوحدة W/m²، وdT/dx تدرج درجة الحرارة بوحدة K/m. تشير الإشارة السالبة إلى انتقال الحرارة باتجاه درجة الحرارة الأقل.
للوح مستوٍ متجانس ذي k ثابتة، يكون معدل انتقال الحرارة المستقر Q̇ = kA(T₁ − T₂)/L. تمثل A المساحة العمودية على التدفق، وL طول مسار التوصيل، وT₁ وT₂ درجتي حرارة الوجه الساخن والوجه البارد. تفترض هذه الصيغة المبسطة انتقالًا أحادي البعد، وعدم وجود توليد داخلي للحرارة، وإمكان إهمال الفقد من الحواف. الناتج بوحدة W هو معدل انتقال، ولا يمثل كمية الطاقة المخزنة.
قارن القيم عند درجة الحرارة نفسها
| المادة | k, W/(m·K) | درجة الحرارة | المرجع |
|---|---|---|---|
| فولاذ كربوني UNS G10200 | 52 | 20°C | جدول الخصائص الفيزيائية لدى SSINA |
| 304 / EN 1.4301، أوستنيتي | 15 | 20°C | الجداول التقنية لدى worldstainless |
| 316 / EN 1.4401، أوستنيتي | 15 | 20°C | الجداول التقنية لدى worldstainless |
| 430 / EN 1.4016، فريتي | 25 | 20°C | الجداول التقنية لدى worldstainless |
مرّر داخل الجدول لرؤية جميع الأعمدة ←
يدعم الجدول المقارنة بين الدرجات المحددة فيه. ولا يغني عن شهادة الدفعة أو يوفر قيمة تصميم واحدة لجميع الدرجات. لا تصف البيانات المذكورة بصورة كاملة تاريخ معالجة المنتج المورَّد أو اتجاه القياس؛ اطلب هذه التفاصيل عندما تؤثر في الحساب. أزواج التسميات تتبع المقابلات الواردة في المصادر، ولا تثبت إمكان الاستبدال دون شروط وفق مواصفات الشراء.
تشترك درجتا 304 و316 هنا في القيمة المقربة نفسها، مع اختلاف تركيبهما وأدائهما تجاه التآكل. لذلك لا تكفي الموصلية وحدها للاختيار بينهما. كما يوضح المثال الفريتي أن وصف «فولاذ مقاوم للصدأ» واسع أكثر مما يلزم لتحديد معامل واحد.
لماذا تتغير الموصلية؟
تسهم الإلكترونات واهتزازات الشبكة البلورية في نقل الحرارة داخل المعادن. وتغيّر عناصر السبك والتحولات البنيوية تشتت حوامل الحرارة هذه. لذلك يمكن أن يؤثر التركيب والمعالجة الحرارية والتشكيل على البارد والعيوب في الموصلية. ولا تحدد فئة المقاومة الميكانيكية أو السطح المصقول قيمة k وحدها.
يختلف أثر درجة الحرارة باختلاف المادة. تسرد SSINA للفولاذ UNS G10200 قيمة 52 W/(m·K) عند 20°C و43 عند 400°C، بينما ترتفع قيمة 304 في المصدر نفسه من 16.2 عند 100°C إلى 21.4 عند 500°C. لا تنتج عن هذه الأمثلة معادلة تصحيح موحدة لجميع أنواع الفولاذ. استخدم منحنى خاصًا بالدرجة وحالة المادة، ضمن نطاقه المعلن.
تستخدم علاقة NIST لموصلية 304 درجة الحرارة بالكلفن؛ نطاق البيانات 4–300 K ونطاق المعادلة المعلن 1–300 K. لا تمدد علاقة خاصة بالبرودة الشديدة إلى ظروف الأفران. وإذا تغيرت k بدرجة مؤثرة بين وجهي اللوح، فتكامل العلاقة المتحقق منها k(T) على مجال درجتي حرارة الوجهين أو استخدم نموذجًا عدديًا مناسبًا. وحتى أخذ المتوسط الحسابي لقيمتي الطرفين يحتاج إلى تبرير.
مثال حسابي للوح فولاذي
افترض لوحًا من 304 مساحته A = 0.10 m² وسماكته L = 10 mm = 0.010 m. حافظ على أحد الوجهين عند 30°C والآخر عند 20°C. لأغراض هذا المثال التعليمي، افترض ثبات k = 15 W/(m·K) عبر المجال. القيمة الجدولية عند 20°C وحدها لا تثبت أن هذا هو متوسط المجال.
- فرق درجة الحرارة: ΔT = 10 K.
- معدل انتقال الحرارة: Q̇ = 15 × 0.10 × 10 / 0.010 = 1,500 W.
- كثافة التدفق الحراري: q″ = Q̇/A = 15,000 W/m².
- مقاومة اللوح: R = L/(kA) = 0.00667 K/W.
مع ثبات بقية الافتراضات، تؤدي مضاعفة السماكة إلى خفض Q̇ إلى النصف، وتؤدي مضاعفة المساحة إلى مضاعفته. يتطلب هذا المعدل المرتفع بقاء درجتي حرارة الوجهين ثابتتين. استخدام درجتي حرارة هواء الغرفة مكانهما يحذف مقاومة انتقال الحرارة بين الهواء والمعدن.
فرق الحرارة بالكلفن يساوي عدديًا الفرق بالدرجات المئوية. عند استخدام k بوحدة W/(m·K)، أدخل الأطوال بالمتر؛ إدخال 10 لسماكة هذا المثال يسبب خطأ بمعامل ألف. ميّز بين كثافة التدفق بوحدة W/m² والمعدل الكلي بوحدة W.
الموصلية والناقلية والانتشارية الحرارية
الناقلية الحرارية لهذا اللوح هي G = kA/L = 150 W/K وتشمل أبعاده. الموصلية k خاصية للمادة، أما G فتصف مسارًا حراريًا معينًا. المقاومة الحرارية محسوبة على أساس وحدة المساحة هي R″ = L/k = 0.000667 m²·K/W. تحقّق من إدراج المساحة في تعريف كل قيمة قبل جمع المقاومات.
الانتشارية الحرارية a = k/(ρcₚ)، بوحدة m²/s، تجمع الموصلية مع الكثافة ρ والسعة الحرارية النوعية cₚ. وتساعد في وصف انتشار تغيرات الحرارة داخل المادة. يظل زمن التسخين معتمدًا على الأبعاد والتبادل الحراري عند السطح والظروف الابتدائية. أما التمدد الحراري فيصف تغير الأبعاد مع الحرارة؛ ولا يحل معامله محل k. راجع التمدد الحراري للفولاذ لحساب الحركة.
أدرج الطبقات والتلامس والوسط المحيط
لانتقال مستقر أحادي البعد عبر طبقات مستوية ذات مساحة مشتركة A، مع غياب توليد الحرارة داخليًا وثبات الموصلية في كل طبقة، تُجمع المقاومات على التوالي: R_total = 1/(h₁A) + Σ[Lᵢ/(kᵢA)] + ΣR_contact + 1/(h₂A). ثم يكون Q̇ = (T∞,₁ − T∞,₂)/R_total. تمثل T∞,₁ وT∞,₂ درجتي حرارة المائعين خارج الطبقة الحرارية السطحية. تصف معاملات h الحمل بين السطح والمائع بوحدة W/(m²·K). جميع حدود المقاومة هنا بوحدة K/W.
إذا قُدمت مقاومة التلامس على أساس وحدة المساحة بوحدة m²·K/W، فاقسمها على A قبل إدخالها في هذه العلاقة. يؤثر ضغط التلامس والفجوات وحالة السطح. وقد يشكل العزل أو سطح تماس ضعيف التوصيل معظم المقاومة الكلية، فتكون أهمية تغيير درجة الفولاذ أقل مما توحي به مقارنة k وحدها.
يمكن للمثبتات والإطارات أن تنشئ مسارات حرارية متوازية. وقد يتطلب الإشعاع والجدران المنحنية وانتشار التدفق وتغير مساحة التلامس والتخزين الحراري غير المستقر نموذجًا مختلفًا. كذلك يعتمد معامل الانتقال الحراري الكلي U للوح فولاذي مطلي على تركيبه وبيئته؛ ولا تكفي موصلية الفولاذ الأساسي لحسابه.
ما المدخلات التي ينبغي توثيقها؟
- حدد الدرجة وشكل المنتج وحالته واتجاه تدفق الحرارة.
- سجل المصدر والوحدات والنطاق الحراري، وهل البيانات نموذجية أم مقيسة أم محددة بالمواصفة.
- حدد درجات الحرارة الفعلية للأسطح أو الموائع والأبعاد المرتبطة بمسار الحرارة.
- أدرج الواجهات والطلاءات والعزل والتبادل الحراري الخارجي.
- اختبر ملاءمة افتراضات الاستقرار والبعد الواحد وثبات الخصائص.
- في التصميمات ذات العواقب المهمة، تحقّق من البيانات والطريقة وفق متطلبات المشروع، مع مراعاة عدم اليقين.
اطلب من جهة الاختبار ذكر حالة العينة وطريقة القياس والنطاق الحراري وعدم اليقين. وعند اشتقاق الموصلية من الانتشارية والكثافة والسعة الحرارية النوعية، يجب أن تمثل جميع المدخلات حالات مادة ودرجات حرارة متوافقة. لا يغني رقم من دليل عن هذا السجل القابل للتتبع.