Em termodinâmica, a difusividade térmica é a condutividade térmica dividida pelo produto da densidade pelo calor específico a pressão constante. Ela caracteriza a rapidez com que diferenças de temperatura se reduzem por condução no interior de um material, e não a quantidade de calor transferida por unidade de tempo. Sua unidade no SI é o m2/s, e sua dimensão física é L2T−1. É uma propriedade intensiva.
A difusividade térmica costuma ser representada pela letra grega alfa minúscula, , mas , , a letra capa, , e também são usados na literatura. Na nomenclatura da IUPAC, é o símbolo da difusividade térmica, enquanto designa o coeficiente de difusão térmica, uma grandeza diferente, cuja unidade é m2 K−1 s−1.
A fórmula é
em que é a condutividade térmica, em W·m−1·K−1, é o calor específico a pressão constante, em J·kg−1·K−1, e é a densidade, em kg/m3. O produto é a capacidade térmica volumétrica, em J·m−3·K−1.
A difusividade térmica é um coeficiente positivo na equação do calor:
Nessa expressão, é a temperatura, é o tempo e é o operador laplaciano. Essa forma aplica-se, por exemplo, a um meio homogêneo e isotrópico em repouso, aproximado como incompressível, com propriedades constantes e sem geração interna de calor. Para um meio isotrópico em repouso, ainda na aproximação incompressível, mas permitindo variações da condutividade e geração volumétrica de calor, o balanço é
em que é a taxa de geração de calor por unidade de volume, em W/m3. Essa formulação despreza o trabalho de expansão e o transporte de calor pelo movimento do meio. Quando , e são constantes e , a expressão se reduz à equação anterior. Como essas propriedades podem variar com a temperatura, a difusividade térmica também pode variar.
A equação relaciona a derivada temporal da temperatura ao seu laplaciano, que, em coordenadas cartesianas, é a soma das segundas derivadas espaciais. Em uma dimensão, esse termo é . Uma difusividade elevada favorece a redução rápida das diferenças internas de temperatura, pois a condução é intensa em relação à capacidade de armazenamento de energia do material.
A difusividade térmica e a efusividade térmica são grandezas complementares no estudo da transferência de calor transiente. A difusividade caracteriza a redistribuição da temperatura no interior do material. A efusividade caracteriza sua resposta à troca de calor pela superfície e é definida por
No estado estacionário, a temperatura em cada ponto não muda com o tempo, embora ainda possa haver fluxo de calor. Na condução em um corpo em repouso, esse fluxo pode ser calculado a partir da condutividade e do gradiente de temperatura pela lei de Fourier.
Profundidade de penetração térmica Considere um meio semi-infinito homogêneo, com difusividade constante, cuja superfície plana tenha temperatura uniforme que varie sinusoidalmente com frequência angular . Após o transiente inicial, a amplitude da oscilação térmica diminui com a profundidade. Para essa condução unidimensional, a profundidade de penetração térmica é
em que é a frequência. A uma profundidade , a amplitude é multiplicada por e a fase tem um atraso de radianos em relação à superfície. Em , a amplitude cai para do valor superficial. Essa profundidade é uma escala de atenuação, não um limite além do qual a oscilação desaparece. Uma difusividade maior ou uma frequência menor aumenta essa escala.
Medição miniatura|Aparelho de análise flash a laser para medir a difusividade térmica.
A difusividade térmica é frequentemente medida pelo método flash. No método clássico, um pulso curto de energia é absorvido pela face frontal de uma amostra fina e a evolução da temperatura na face oposta é registrada ao longo do tempo. A difusividade é obtida a partir da espessura da amostra e da forma da curva de temperatura da face posterior.
Modelos mais completos do experimento flash corrigem desvios em relação ao caso ideal, inclusive efeitos relacionados ao tamanho do feixe incidente.
Outros métodos incluem a fonte plana transiente, também chamada hot disc, e a análise de ondas de temperatura. No primeiro, um elemento plano atua como aquecedor e sensor. Sua resposta térmica permite determinar a condutividade e a difusividade da amostra. A capacidade térmica volumétrica é calculada pela razão . Na análise de ondas de temperatura, usada em filmes e placas finos de plástico, aplica-se uma oscilação térmica periódica e determina-se a difusividade pela propagação dessa perturbação através da espessura da amostra. A atenuação da amplitude e o atraso de fase caracterizam essa resposta periódica.
Difusividade térmica de materiais e substâncias selecionados Os valores dependem da temperatura e da composição do material. Nos gases, também variam com a pressão. Em materiais anisotrópicos, como o quartzo, a direção deve ser especificada. A tabela reúne valores obtidos em condições diferentes, sem pressupor uma temperatura comum para as linhas que não a informam.
+ Difusividade térmica de materiais e substâncias selecionados e , citados em Material Difusividade térmicamm2/s Ref. Grafite pirolítico, paralelamente às camadas 1.220 Diamante 1.060–1.160 Compósito carbono-carbono a 25 °C 216,5 Hélio a 300 K e 101,325 kPa 190 , citado em Prata, pureza de 99,9% 165,63 Hidrogênio a 300 K e 101,325 kPa 160 Ouro a 300 K 127 Cobre a 25 °C 111 Alumínio a 300 K 97 Silício a 300 K 88 Al-10Si-Mn-Mg, Silafont 36, a 20 °C 74,2 Liga de alumínio 6061-T6 a 300 K 64 Molibdênio, pureza de 99,95%, a 25 °C 54,3 A. Lindemann e J. Blumm. "Measurement of the Thermophysical Properties of Pure Molybdenum". 17th Plansee Seminar, volume 3, 2009. Al-5Mg-2Si-Mn, Magsimal-59, a 20 °C 44,0 Estanho a 300 K 40 Vapor de água a 400 K e 101,325 kPa 23,38 Ferro a 300 K 23 Argônio a 300 K e 101,325 kPa 22 Nitrogênio a 300 K e 101,325 kPa 22 Ar a 20 °C e 101,325 kPa 22 Aço AISI 1010, com 0,1% de carbono 18,8 Óxido de alumínio a 300 K 12,0 Aço com 1% de carbono 11,72 Titânio 9,3 Si3N4 com nanotubos de carbono, a 26 °C 9,142 Si3N4 sem nanotubos de carbono, a 26 °C 8,605 Quartzo sintético monocristalino, direção , a 25,9 °C 5,69 ± 0,19 Aço inoxidável 304A a 27 °C 4,2 Grafite pirolítico, perpendicularmente às camadas 3,6 Inconel 600 a 25 °C 3,428 Aço inoxidável 310 a 25 °C 3,352 Quartzo sintético monocristalino, direção , a 25,9 °C 2,89 ± 0,08 Arenito 1,15 Gelo a 0 °C 1,02 Sílica vítrea 0,848 Valor medido por análise flash a laser, apresentado na Tabela II. Tijolo comum 0,52 Vidro de janela 0,34 Tijolo de adobe 0,27 Policarbonato, PC, a 25 °C 0,144 Água a 25 °C 0,143 Politetrafluoretileno, PTFE, a 25 °C 0,124 Polipropileno, PP, a 25 °C 0,096 Náilon 0,09 Borracha 0,089–0,13 Madeira de pinheiro-amarelo 0,082 Parafina a 25 °C 0,081 Policloreto de vinila, PVC, a 300 K 0,08 Óleo de motor, líquido saturado, a 100 °C 0,0738 Álcool de composição não especificada, a 300 K 0,07
Ver também Difusão, processo matematicamente análogo à redistribuição da temperatura por condução Condução térmica, transferência de energia térmica causada por diferenças de temperatura Propagação térmica, processos pelos quais a energia térmica é transportada Equação do calor, equação diferencial que contém a difusividade térmica como coeficiente Efusividade térmica, grandeza relacionada à troca transiente de calor na superfície de um material Número de Prandtl, razão entre a difusividade de momento e a difusividade térmica de um fluido
Categoria:Termodinâmica Categoria:Transferência de calor Categoria:Grandezas físicas