Độ khuếch tán nhiệt là gì?
Độ khuếch tán nhiệt (α) cho biết nhiệt lan truyền qua một vật liệu nhanh đến mức nào so với khả năng tích trữ nhiệt của nó. Giá trị α lớn nghĩa là nhiệt di chuyển nhanh và vật liệu nhanh đạt trạng thái cân bằng nhiệt; giá trị nhỏ thì nhiệt dẫn chậm hơn. Đây là một đại lượng then chốt trong phân tích truyền nhiệt không ổn định (transient), đúc kim loại, tản nhiệt cho linh kiện điện tử và vật lý xây dựng. Đơn vị trong hệ SI là mét vuông trên giây (m²/s).
Cách sử dụng công cụ
Bạn chỉ cần nhập ba thông số vật liệu: độ dẫn nhiệt k (W/m·K), khối lượng riêng ρ (kg/m³) và nhiệt dung riêng cp (J/kg·K). Công cụ sẽ tính độ khuếch tán nhiệt theo m²/s và, để tiện theo dõi, cả theo mm²/s (lấy giá trị m²/s nhân với 1.000.000).
Giải thích công thức
Công thức định nghĩa là:
$$\alpha = \frac{\text{Thermal Conductivity } k}{\text{Density } \rho \cdot \text{Specific Heat } c_p}$$
Trong đó, \(k\) cho biết vật liệu dẫn nhiệt dễ dàng đến mức nào, còn tích \(\rho \cdot c_p\) chính là nhiệt dung thể tích — lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị thể tích lên một độ. Lấy khả năng dẫn nhiệt chia cho khả năng tích trữ nhiệt, ta thu được tốc độ lan truyền của một biến thiên nhiệt độ trong vật liệu.
Ví dụ minh họa
Với nhôm nguyên chất: \(k = 237\) W/m·K, \(\rho = 2700\) kg/m³, \(c_p = 900\) J/kg·K.
$$\alpha = \frac{237}{2700 \times 900} = \frac{237}{2{.}430{.}000} \approx 0{,}00009753 \ \text{m}^2/\text{s}$$
tương đương khoảng 97,53 mm²/s. Giá trị cao này lý giải vì sao nhôm nóng lên và nguội đi rất nhanh.
Câu hỏi thường gặp
Cần dùng đơn vị nào? Hãy dùng nhất quán các đơn vị trong hệ SI (W/m·K, kg/m³, J/kg·K) để nhận được α theo m²/s.
Độ khuếch tán nhiệt khác gì với độ dẫn nhiệt? Độ dẫn nhiệt (k) mô tả dòng nhiệt ở trạng thái ổn định; còn độ khuếch tán nhiệt (α) mô tả tốc độ lan truyền của các biến thiên nhiệt độ trong điều kiện không ổn định (transient).
Vì sao nên đổi sang mm²/s? Các bảng tra vật liệu thường liệt kê α theo mm²/s vì giá trị tính bằng m²/s rất nhỏ; 1 m²/s = 1.000.000 mm²/s.
