نئی مصنوعات کو ڈیزائن کرتے وقت، انجینئرز کے پاس انتخاب کرنے کے لیے مختلف قسم کے مواد ہوتے ہیں۔ تمام مادی خصوصیات کو حتمی مصنوع یا اطلاق کے تناظر میں رکھتے ہوئے ان کا درست تجزیہ کرنا ایک انتہائی مشکل کام ہے۔ مادی انتخاب میں، دو تھرمل خصوصیات اہم کردار ادا کرتی ہیں: تھرمل چالکتا اور تھرمل توسیع کا گتانک۔
کسی بھی تھرموڈینامک ایپلی کیشن میں، تھرمل چالکتا اور مواد کی تھرمل توسیع کے گتانک کو احتیاط سے سمجھا جانا چاہئے، خاص طور پر ایپلی کیشنز میں جہاں یہ خصوصیات حتمی کارکردگی اور سروس کی زندگی کو متاثر کرتی ہیں۔ مناسب تھرمل چالکتا کے ساتھ مواد کا انتخاب کارکردگی اور کارکردگی کو بہتر بنا سکتا ہے۔ ان کی منفرد تھرمل خصوصیات کی وجہ سے، کاربن ریشوں کو بہت سے نئے ایپلی کیشن کے علاقوں میں استعمال کیا جا سکتا ہے.
تھرمل چالکتا
تھرمل چالکتا، جسے تھرمل ڈفیوزیوٹی بھی کہا جاتا ہے، آسان ترین الفاظ میں، یہ ایک پیمانہ ہے کہ دیے گئے مواد کے ذریعے حرارت کس طرح مؤثر طریقے سے بہتی ہے۔ ایک سادہ سالماتی ساخت کے ساتھ مواد میں عام طور پر تھرمل چالکتا بھی زیادہ ہوتی ہے۔ جب مواد کو گرم کیا جاتا ہے، تو ذرات توانائی حاصل کرتے ہیں اور کمپن کرتے ہیں۔ اس کمپن کی وجہ سے مالیکیول دوسرے ذرات سے ٹکراتے ہیں اور ان میں توانائی منتقل کرتے ہیں۔ جتنی زیادہ گرمی لگائی جاتی ہے، اتنی ہی زیادہ کمپن اور توانائی کی منتقلی ہوتی ہے۔
تھرمل چالکتا کی ریاضیاتی نمائندگی مندرجہ ذیل ہے:
K=تھرمل چالکتا (W/(mK)) یا (Btu/(hr ft ڈگری F))
Q=حرارت کی منتقلی (W) یا (Btu)
d=دو isothermal طیاروں کے درمیان فاصلہ (m) یا (ft)
ایک=سطح کا رقبہ (m²) یا (ft²)
ڈیلٹا T=درجہ حرارت کا فرق (K) یا (ڈگری F)
تھرمل چالکتا مواد کے ساتھ مختلف ہوتی ہے۔ چونکہ کاربن فائبر مختلف اقسام میں آتے ہیں، ہر ایک اپنی منفرد خصوصیات کے ساتھ، وہ پانی جیسے دیگر مواد سے مختلف ہوتے ہیں۔ نیچے دی گئی جدول مختلف مواد کی مختلف تھرمل چالکتا کو ظاہر کرتی ہے۔
مینوفیکچررز اور محققین نے مختلف ایپلی کیشنز کے لیے اعلی یا کم تھرمل چالکتا کے ساتھ کاربن فائبر مرکبات تیار کیے ہیں۔ تھرمل چالکتا کی پیمائش کا طریقہ حتمی پیمائش کے نتائج کو بھی متاثر کرتا ہے۔ اگر تھرمل چالکتا کو ریشوں کے ساتھ ناپا جاتا ہے، تو یہ عام طور پر ریشوں کے پار ماپا جانے سے زیادہ ہوتا ہے (کھڑی سمت)۔
اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ کاربن فائبر مختلف ایپلی کیشنز میں استعمال کیا جا سکتا ہے. مثال کے طور پر، ایک جاپانی کمپنی نے الیکٹرانک آلات کے لیے موبائل ایپلی کیشنز میں بیٹری کی کمی کو دبانے کے لیے کاربن فائبر تیار کیے ہیں۔ حتمی درخواست میں یہ طے کرنا چاہیے کہ آیا انجینئرز کو کم یا زیادہ تھرمل چالکتا والے کاربن فائبر کی ضرورت ہے۔
تھرمل توسیع کا گتانک
ایک اور اہم تھرموڈینامک خاصیت جس پر انجینئرز کو غور کرنا چاہئے وہ ہے تھرمل توسیع کا گتانک۔ حرارتی توسیع کا گتانک اس بات کا پیمانہ ہے کہ درجہ حرارت کی تبدیلیوں کے سامنے آنے پر کسی چیز کے طول و عرض کیسے بدلتے ہیں۔ تھرمل ایکسپینشن کے گتانک کی تین قسمیں ہیں: والیومیٹرک، ایریل اور لکیری۔
چونکہ کاربن فائبر عام طور پر زیادہ تر ایپلی کیشنز میں ٹھوس ہوتے ہیں، انجینئرز کو زیادہ تر توجہ تھرمل توسیع کے رقبے اور لکیری گتانکوں پر مرکوز کرنی چاہیے۔
تھرمل توسیع کے لکیری گتانک کی ریاضیاتی نمائندگی اس طرح ہے:
الفا=تھرمل توسیع کا لکیری گتانک (K^{-1} یا 1/K) یا (ڈگری F^{-1} یا 1/ ڈگری F)
L={اصل لمبائی (m) یا (فٹ)
ڈیلٹا L=لمبائی میں تبدیلی (m) یا (فٹ)
ڈیلٹا T=درجہ حرارت کی تبدیلی (K) یا (ڈگری F)
تھرمل توسیع کے رقبے کے گتانک کی ریاضیاتی نمائندگی حسب ذیل ہے:
الفا=تھرمل توسیع کا اصلی گتانک (K^{-1} یا 1/K) یا (ڈگری F^{-1} یا 1/ ڈگری F)
A={اصل علاقہ (m²) یا (ft²)
ڈیلٹا A={رقبہ کی تبدیلی (m²) یا (ft²)
ڈیلٹا T=درجہ حرارت کی تبدیلی (K) یا (ڈگری F)
تھرمل چالکتا کی طرح، کاربن ریشوں کے تھرمل توسیع کا گتانک بھی بہت مختلف ہو سکتا ہے۔ یہ گتانک زیادہ تر میٹرکس میں کاربن ریشوں کی سمت پر منحصر ہے۔ تھرمل توسیع کے گتانک کی عام حد -1 K^{-1} سے +8 K^{-1} کے درمیان ہے۔ نیچے دی گئی جدول مختلف مواد کے لیے تھرمل توسیع کے مختلف گتانک دکھاتی ہے۔
کاربن ریشوں میں تھرمل توسیع کا منفی گتانک ہوتا ہے۔ جب مواد کو گرم کیا جاتا ہے تو یہ سکڑ جاتا ہے۔ کاربن فائبر کے ایٹم عام طور پر x اور y محور کے ساتھ طے ہوتے ہیں۔ پلانر بانڈز جو ریشوں کو x اور y محور کے ساتھ ٹھیک کرتے ہیں وہ covalent بانڈز ہیں۔ اس سے z کی سمت متعین نہیں ہوتی اور کمزور وین ڈیر والز فورسز کے ذریعہ ایک ساتھ رکھی جاتی ہیں۔
جب کاربن ریشوں کو گرم کیا جاتا ہے، تو ایٹم ہلنا شروع ہو جاتے ہیں، بنیادی طور پر z سمت میں۔ جیسا کہ ایسا ہوتا ہے، ہلتے ہوئے ایٹم ملحقہ ایٹموں کو کھینچ لیتے ہیں۔ یہ پورا واقعہ ایٹموں کو ایک دوسرے کے ساتھ زیادہ مضبوطی سے باندھنے اور مواد کو x اور y سمتوں میں سکڑنے کا سبب بنتا ہے۔ جیسے جیسے گرمی بڑھتی ہے اور ایٹم ہلنا شروع ہوتے ہیں، مواد سکڑتا رہتا ہے۔
کچھ ایپلی کیشنز میں، منفی تھرمل توسیع کی خاصیت کچھ دلچسپ نتائج پیدا کر سکتی ہے۔ کاربن ریشوں کو رال میٹرکس کے ساتھ ملایا جا سکتا ہے جس میں تھرمل توسیع کا مثبت گتانک ہوتا ہے، جہاں نتیجے میں میٹرکس کا تھرمل توسیع کا گتانک صفر کے قریب ہوتا ہے۔ یہ کچھ چھوٹے آلات جیسے پیمائشی آلات کے لیے اہم ہو سکتا ہے۔