التوصيل الحراري

التوصيل الحراري في حالة الاستقرار هو شكل من أشكال التوصيل يحدث عندما يكون فرق (أو فروق) درجة الحرارة المحركة للتوصيل ثابتًا، بحيث (بعد فترة من التوازن) لا يتغير التوزيع المكاني لدرجات الحرارة (مجال درجة الحرارة) في الجسم الموصل. وبالتالي، قد تكون جميع المشتقات الجزئية لدرجة الحرارة بالنسبة للمكان إما صفرًا أو لها قيم غير صفرية، ولكن جميع مشتقات درجة الحرارة عند أي نقطة زمنية تكون صفرًا بشكل منتظم. في التوصيل الحراري في حالة الاستقرار، تكون كمية الحرارة الداخلة إلى أي منطقة من الجسم مساوية لكمية الحرارة الخارجة منها (وإلا لكانت درجة الحرارة ترتفع أو تنخفض، حيث يتم امتصاص الطاقة الحرارية أو احتجازها في منطقة ما).

على سبيل المثال، قد يكون قضيب باردًا من أحد طرفيه وساخنًا من الطرف الآخر، ولكن بعد الوصول إلى حالة التوصيل الحراري المستقر، لا يتغير التدرج المكاني لدرجات الحرارة على طول القضيب مع مرور الوقت. بل تبقى درجة الحرارة ثابتة عند أي مقطع عرضي معين من القضيب عموديًا على اتجاه انتقال الحرارة، وتتغير هذه الدرجة خطيًا في المكان في حالة عدم وجود توليد للحرارة في القضيب. ^{[ 4 ]}

في التوصيل الحراري المستقر، يمكن تطبيق جميع قوانين التوصيل الكهربائي للتيار المستمر على "التيارات الحرارية". في هذه الحالة، يمكن اعتبار "المقاومات الحرارية" مماثلة للمقاومات الكهربائية . في هذه الحالة، تلعب درجة الحرارة دور الجهد، والحرارة المنتقلة في وحدة الزمن (القدرة الحرارية) هي نظير التيار الكهربائي. يمكن نمذجة الأنظمة المستقرة بشبكات من هذه المقاومات الحرارية المتصلة على التوالي والتوازي، على غرار الشبكات الكهربائية للمقاومات. انظر إلى الدوائر الحرارية المقاومة البحتة كمثال على هذه الشبكة.

خلال أي فترة زمنية تتغير فيها درجات الحرارة في أي مكان داخل الجسم، يُطلق على نمط تدفق الطاقة الحرارية اسم التوصيل العابر. ويُطلق عليه أيضًا اسم التوصيل "غير المستقر"، ويشير إلى اعتماد حقول درجة الحرارة في الجسم على الزمن. تظهر حالات التوصيل غير المستقر بعد حدوث تغيير مُفتعل في درجة الحرارة عند حدود الجسم. وقد تحدث أيضًا مع تغيرات درجة الحرارة داخل الجسم، نتيجةً لدخول مصدر أو مُستقبِل حرارة جديد فجأةً داخله، مما يؤدي إلى تغير درجات الحرارة بالقرب من المصدر أو المُستقبِل مع مرور الوقت.

عند حدوث اضطراب جديد في درجة الحرارة من هذا النوع، تتغير درجات الحرارة داخل النظام بمرور الوقت نحو حالة توازن جديدة مع الظروف الجديدة، شريطة ألا تتغير هذه الظروف. بعد التوازن، يتساوى تدفق الحرارة إلى النظام مع تدفق الحرارة الخارج منه، وتتوقف درجات الحرارة عند كل نقطة داخل النظام عن التغير. عندئذٍ، ينتهي التوصيل الحراري العابر، مع العلم أن التوصيل الحراري المستقر قد يستمر إذا استمر تدفق الحرارة.

إذا كانت التغيرات في درجات الحرارة الخارجية أو تغيرات توليد الحرارة الداخلية سريعة جدًا بحيث لا يمكن تحقيق توازن درجات الحرارة في الفضاء، فإن النظام لا يصل أبدًا إلى حالة توزيع درجة حرارة ثابتة مع مرور الوقت، ويبقى النظام في حالة انتقالية.

من الأمثلة على بدء تشغيل مصدر حرارة جديد داخل جسم ما، مما يُسبب توصيلًا حراريًا مؤقتًا، هو بدء تشغيل محرك السيارة. في هذه الحالة، تنتهي مرحلة التوصيل الحراري المؤقت للمحرك بأكمله، وتبدأ مرحلة الاستقرار الحراري بمجرد وصول المحرك إلى درجة حرارة التشغيل المستقرة . في حالة التوازن الحراري هذه، تتفاوت درجات الحرارة بشكل كبير بين أسطوانات المحرك وأجزاء السيارة الأخرى، ولكن لا ترتفع أو تنخفض درجة الحرارة في أي نقطة داخل السيارة. بعد الوصول إلى هذه الحالة، تنتهي مرحلة التوصيل الحراري المؤقت.

تُساهم الظروف الخارجية الجديدة أيضًا في هذه العملية: فعلى سبيل المثال، يشهد قضيب النحاس في حالة التوصيل المستقر توصيلًا عابرًا بمجرد تعرض أحد طرفيه لدرجة حرارة مختلفة عن الطرف الآخر. ومع مرور الوقت، يصل مجال درجات الحرارة داخل القضيب إلى حالة استقرار جديدة، حيث يتشكل تدرج حراري ثابت على طول القضيب، ويبقى هذا التدرج ثابتًا مع مرور الوقت. عادةً، يتم الوصول إلى هذا التدرج الجديد في حالة الاستقرار بشكل أُسّي مع مرور الوقت بعد إدخال مصدر أو مُستقبِل حراري جديد. وعند انتهاء مرحلة "التوصيل العابر"، قد يستمر تدفق الحرارة بقدرة عالية، طالما لم تتغير درجات الحرارة.

يحدث مثال على التوصيل الحراري العابر الذي لا ينتهي بالتوصيل المستقر، بل بانعدام التوصيل، عند إسقاط كرة نحاسية ساخنة في زيت منخفض الحرارة. في هذه الحالة، يبدأ المجال الحراري داخل الجسم بالتغير مع مرور الوقت، حيث تُسحب الحرارة من المعدن، ويكمن الاهتمام في تحليل هذا التغير المكاني في درجة الحرارة داخل الجسم بمرور الوقت حتى تختفي جميع التدرجات تمامًا (تصل الكرة إلى نفس درجة حرارة الزيت). رياضيًا، يتم الوصول إلى هذه الحالة أيضًا بشكل أُسّي؛ نظريًا، يستغرق الأمر وقتًا لا نهائيًا، ولكن عمليًا، ينتهي الأمر، عمليًا، في فترة أقصر بكثير. في نهاية هذه العملية، مع عدم وجود مُشتت حراري سوى الأجزاء الداخلية للكرة (وهي محدودة)، لا يوجد توصيل حراري مستقر يمكن الوصول إليه. لا تحدث مثل هذه الحالة أبدًا في هذا الموقف، بل تنتهي العملية عندما ينعدم التوصيل الحراري تمامًا.

يُعد تحليل أنظمة التوصيل غير المستقرة أكثر تعقيدًا من تحليل الأنظمة المستقرة. فإذا كان للجسم الموصل شكل بسيط، يُمكن إيجاد تعابير وحلول رياضية تحليلية دقيقة (انظر معادلة الحرارة للاطلاع على المنهج التحليلي). ^{[ 5 ]} مع ذلك، في أغلب الأحيان، ونظرًا للأشكال المعقدة ذات الموصلية الحرارية المتغيرة داخلها (أي معظم الأجسام والآليات والآلات الهندسية المعقدة)، غالبًا ما يكون من الضروري تطبيق نظريات تقريبية، أو استخدام التحليل العددي الحاسوبي. ومن الطرق البيانية الشائعة استخدام مخططات هايسلر .

في بعض الأحيان، يمكن تبسيط مسائل التوصيل الحراري العابر بشكل كبير إذا أمكن تحديد مناطق في الجسم المراد تسخينه أو تبريده، حيث تكون الموصلية الحرارية فيها أعلى بكثير من تلك الموجودة في مسارات الحرارة المؤدية إليها. في هذه الحالة، يمكن غالبًا التعامل مع المنطقة ذات الموصلية العالية في نموذج السعة المجمعة ، باعتبارها كتلة من المادة ذات سعة حرارية بسيطة تتكون من سعتها الحرارية الكلية . تسخن هذه المناطق أو تبرد، لكنها لا تُظهر تغيرًا ملحوظًا في درجة الحرارة عبر امتدادها أثناء العملية (مقارنة ببقية النظام). ويعود ذلك إلى موصليتها الحرارية الأعلى بكثير. لذلك، أثناء التوصيل الحراري العابر، تتغير درجة الحرارة عبر مناطقها الموصلة بشكل منتظم مكانيًا، وبدوالة أسية بسيطة مع الزمن. ومن أمثلة هذه الأنظمة تلك التي تتبع قانون نيوتن للتبريد أثناء التبريد العابر (أو العكس أثناء التسخين). تتكون الدائرة الحرارية المكافئة من مكثف بسيط موصول على التوالي مع مقاوم. في مثل هذه الحالات، يلعب الجزء المتبقي من النظام ذو المقاومة الحرارية العالية (التوصيلية المنخفضة نسبياً) دور المقاوم في الدائرة.

تُعدّ نظرية التوصيل الحراري النسبي نموذجًا متوافقًا مع نظرية النسبية الخاصة . وقد ساد الاعتقاد طوال معظم القرن الماضي بأن معادلة فورييه تتعارض مع نظرية النسبية لأنها تسمح بسرعة انتشار لا نهائية للإشارات الحرارية. فعلى سبيل المثال، وفقًا لمعادلة فورييه، يُمكن الشعور بنبضة حرارية عند نقطة الأصل في اللانهاية بشكل فوري. إن سرعة انتشار المعلومات في الفراغ أسرع من سرعة الضوء ، وهو أمر غير مقبول فيزيائيًا ضمن إطار النسبية.

الصوت الثاني ظاهرة ميكانيكية كمومية، ينتقل فيها الحرارة عبر حركة موجية ، بدلاً من آلية الانتشار المعتادة . تحل الحرارة محل الضغط في الموجات الصوتية العادية، مما يؤدي إلى موصلية حرارية عالية جدًا . يُعرف هذا الصوت بـ"الصوت الثاني" لأن حركة الحرارة الموجية فيه تُشابه انتشار الصوت في الهواء، وهو ما يُعرف بالتوصيل الكمومي.

يُظهر الشكل التفاضلي لقانون فورييه للتوصيل الحراري أن كثافة التدفق الحراري المحلي${\displaystyle \mathbf {q} }$يساوي حاصل ضرب الموصلية الحرارية${\displaystyle \kappa }$وتدرج درجة الحرارة المحلي السلبي${\displaystyle -\nabla T}$كثافة التدفق الحراري هي كمية الطاقة التي تتدفق عبر وحدة المساحة لكل وحدة زمنية. $${\displaystyle \mathbf {q} =-\kappa \nabla T,}$$ حيث (بما في ذلك وحدات النظام الدولي للوحدات)

• ${\displaystyle \mathbf {q} }$هي كثافة التدفق الحراري المحلي، واط / م² ^،
• ${\displaystyle \kappa }$هي موصلية المادة ، واط/(متر· كلفن )،
• ${\displaystyle \nabla T}$يمثل تدرج درجة الحرارة، بوحدة كلفن/متر.

الموصلية الحرارية${\displaystyle k}$غالبًا ما تُعامل الموصلية الحرارية كقيمة ثابتة، مع أن هذا ليس صحيحًا دائمًا. فبينما تتغير الموصلية الحرارية للمادة عمومًا بتغير درجة الحرارة، قد يكون هذا التغير طفيفًا ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة لبعض المواد الشائعة. أما في المواد غير المتجانسة ، فتتغير الموصلية الحرارية عادةً بتغير الاتجاه؛ في هذه الحالة${\displaystyle \kappa }$يُمثَّل بواسطة موتر من الدرجة الثانية . في المواد غير المتجانسة،${\displaystyle \kappa }$يختلف ذلك باختلاف الموقع المكاني.

في العديد من التطبيقات البسيطة، يُستخدم قانون فورييه في شكله أحادي البعد، على سبيل المثال، في اتجاه المحور السيني : $${\displaystyle q_{x}=-\kappa {\frac {dT}{dx}}.}$$

في وسط متجانس الخواص، يؤدي قانون فورييه إلى معادلة الحرارة$${\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}=\alpha \left({\frac {\partial ^{2}T}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}T}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}T}{\partial z^{2}}}\right)}$$ مع حل أساسي يُعرف باسم نواة الحرارة .

من خلال دمج الشكل التفاضلي على كامل سطح المادة${\displaystyle S}$وبذلك نصل إلى الصيغة التكاملية لقانون فورييه:

${\displaystyle \scriptstyle S}$${\displaystyle \mathbf {q} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} }$${\displaystyle {}={}}$${\displaystyle -\kappa }$${\displaystyle \scriptstyle S}$${\displaystyle \nabla T\cdot \mathrm {d} \mathbf {S} }$

حيث (بما في ذلك وحدات النظام الدولي للوحدات):

• ${\displaystyle {\dot {Q}}=}$${\displaystyle \scriptstyle S}$${\displaystyle \mathbf {q} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} }$هي القدرة الحرارية المنقولة بالتوصيل (بالواط)، وهي المشتق الزمني للحرارة المنقولة${\displaystyle Q}$(في اللغة اليابانية)،
• ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {S} }$هو عنصر مساحة سطح موجه (بالمتر ^المربع ).

تعطي المعادلة التفاضلية أعلاه ، عند تكاملها لمادة متجانسة ذات هندسة أحادية البعد بين نقطتي نهاية عند درجة حرارة ثابتة، معدل تدفق الحرارة على النحو التالي: $${\displaystyle Q=-\kappa {\frac {A\Delta t}{L}}\Delta T,}$$ أين

• ${\displaystyle \Delta t}$هي الفترة الزمنية التي تكون فيها كمية الحرارة${\displaystyle Q}$يتدفق عبر مقطع عرضي للمادة،
• ${\displaystyle A}$هي مساحة السطح المقطعي،
• ${\displaystyle \Delta T}$يمثل الفرق في درجة الحرارة بين الطرفين،
• ${\displaystyle L}$هي المسافة بين الطرفين.

يمكن تعريف المقاومة الحرارية (العيانية) للمادة المتجانسة أحادية البعد: $${\displaystyle R={\frac {1}{k}}{\frac {L}{A}}}$$

باستخدام معادلة توصيل حراري بسيطة أحادية البعد ومستقرة، وهي مماثلة لقانون أوم للمقاومة الكهربائية البسيطة : $${\displaystyle \Delta T=R\,{\dot {Q}}}$$

يشكل هذا القانون الأساس لاشتقاق معادلة الحرارة .

يمكن إعادة صياغة معادلات التوصيل السابقة، المكتوبة بدلالة الخصائص الشاملة ، بدلالة الخصائص المكثفة . ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تُنتج صيغ التوصيل كمية ذات أبعاد مستقلة عن المسافة، مثل قانون أوم للمقاومة الكهربائية.${\displaystyle R=V/I\,\!}$، والموصلية،${\displaystyle G=I/V\,\!}$.

من المعادلة الكهربائية:${\displaystyle R=\rho x/A}$حيث ρ هي المقاومة النوعية، و x هو الطول، و A هي مساحة المقطع العرضي، لدينا${\displaystyle G=kA/x\,\!}$، حيث G هي الموصلية، و k هي الموصلية، و x هو الطول، و A هي مساحة المقطع العرضي.

للتدفئة، $${\displaystyle U={\frac {kA}{\Delta x}},}$$ حيث U هي الموصلية.

يمكن أيضاً صياغة قانون فورييه على النحو التالي: $${\displaystyle {\dot {Q}}=U\,\Delta T,}$$ على غرار قانون أوم،${\displaystyle I=V/R}$أو${\displaystyle I=VG.}$

مقلوب الموصلية هو المقاومة، R ، ويعطى بالعلاقة التالية: $${\displaystyle R={\frac {\Delta T}{\dot {Q}}},}$$ على غرار قانون أوم،${\displaystyle R=V/I.}$

إن قواعد الجمع بين المقاومات والموصلات (على التوالي والتوازي) هي نفسها بالنسبة لتدفق الحرارة والتيار الكهربائي.

يمكن حساب التوصيل الحراري عبر الأغلفة الأسطوانية (مثل الأنابيب) من نصف القطر الداخلي،${\displaystyle r_{1}}$، نصف القطر الخارجي،${\displaystyle r_{2}}$الطول،${\displaystyle \ell }$، وفرق درجة الحرارة بين الجدار الداخلي والخارجي،${\displaystyle T_{2}-T_{1}}$.

مساحة سطح الأسطوانة هي${\displaystyle A_{r}=2\pi r\ell }$

عند تطبيق معادلة فورييه: $${\displaystyle {\dot {Q}}=-kA_{r}{\frac {dT}{dr}}=-2k\pi r\ell {\frac {dT}{dr}}}$$ وأعيد ترتيبها: $${\displaystyle {\dot {Q}}\int _{r_{1}}^{r_{2}}{\frac {1}{r}}\,dr=-2k\pi \ell \int _{T_{1}}^{T_{2}}dT}$$ ثم يكون معدل انتقال الحرارة كالتالي: $${\displaystyle {\dot {Q}}=2k\pi \ell {\frac {T_{1}-T_{2}}{\ln(r_{2}/r_{1})}}}$$ المقاومة الحرارية هي: $${\displaystyle R_{c}={\frac {\Delta T}{\dot {Q}}}={\frac {\ln(r_{2}/r_{1})}{2\pi k\ell }}}$$ و${\textstyle {\dot {Q}}=2\pi k\ell r_{m}{\frac {T_{1}-T_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}$، أين${\textstyle r_{m}={\frac {r_{2}-r_{1}}{\ln(r_{2}/r_{1})}}}$هذا هو نصف القطر المتوسط ​​اللوغاريتمي.

التوصيل عبر غلاف كروي ذي نصف قطر داخلي،${\displaystyle r_{1}}$ونصف القطر الخارجي،${\displaystyle r_{2}}$ويمكن حسابها بطريقة مماثلة لحسابها بالنسبة للغلاف الأسطواني.

مساحة سطح الكرة هي:${\displaystyle A=4\pi r^{2}.}$

ينتج عن الحل بطريقة مماثلة لتلك المستخدمة في حالة الغلاف الأسطواني (انظر أعلاه): $${\displaystyle {\dot {Q}}=4k\pi {\frac {T_{1}-T_{2}}{1/{r_{1}}-1/{r_{2}}}}=4k\pi {\frac {(T_{1}-T_{2})r_{1}r_{2}}{r_{2}-r_{1}}}}$$

يُعتبر انتقال الحرارة عند السطح الفاصل تدفقًا حراريًا عابرًا. ولتحليل هذه المسألة، يُعدّ رقم بيوت مهمًا لفهم سلوك النظام. ويُحدد رقم بيوت من خلال: $${\displaystyle {\text{Bi}}={\frac {hL}{k}}}$$ معامل انتقال الحرارة${\displaystyle h}$يتم إدخالها في هذه الصيغة، ويتم قياسها بـ$${\displaystyle \mathrm {\frac {J}{m^{2}sK}} }$$إذا كان عدد بيوت للنظام أقل من 0.1، فإن المادة تتصرف وفقًا للتبريد النيوتوني، أي مع تدرج حراري ضئيل داخل الجسم. ^{[ 6 ]} أما إذا كان عدد بيوت أكبر من 0.1، فإن النظام يتصرف كحل متسلسل. ومع ذلك، يوجد تدرج حراري ملحوظ داخل المادة، ويلزم حل متسلسل لوصف توزيع درجة الحرارة. معادلة التبريد المعطاة هي: $${\displaystyle q=-h\,\Delta T,}$$ وهذا يؤدي إلى الشكل غير البُعدي لملف تعريف درجة الحرارة كدالة للزمن: $${\displaystyle {\frac {T-T_{f}}{T_{i}-T_{f}}}=\exp \left({\frac {-hAt}{\rho C_{p}V}}\right).}$$ تُظهر هذه المعادلة أن درجة الحرارة تنخفض أُسّيًا مع مرور الوقت، ويخضع معدل الانخفاض لخصائص المادة ومعامل انتقال الحرارة. ^{[ 7 ]} يُقاس معامل انتقال الحرارة ، h ، بوحدة${\displaystyle \mathrm {\frac {W}{m^{2}K}} }$ويمثل هذا انتقال الحرارة عند السطح الفاصل بين مادتين. وتختلف هذه القيمة عند كل سطح فاصل، وهي مفهوم مهم في فهم تدفق الحرارة عند السطح الفاصل.

يمكن تحليل حل المتسلسلة باستخدام مخطط بياني . يحتوي المخطط البياني على درجة حرارة نسبية كإحداثي y ورقم فورييه، والذي يتم حسابه بواسطة $${\displaystyle {\text{Fo}}={\frac {\alpha t}{L^{2}}}.}$$

يزداد عدد بيوت مع انخفاض عدد فورييه. توجد خمس خطوات لتحديد منحنى درجة الحرارة بدلالة الزمن.

1. احسب عدد بيوت
2. حدد أي عمق نسبي مهم، إما x أو L.
3. حوّل الوقت إلى رقم فورييه.
4. يتحول${\displaystyle T_{i}}$بالنسبة لدرجة الحرارة النسبية مع الشروط الحدية.
5. المقارنة مطلوبة للإشارة إلى رقم بيوت المحدد على المخطط البياني.

التبريد بالرش هو طريقة لإخماد قطرات صغيرة من المواد المنصهرة عن طريق التلامس السريع مع سطح بارد. تخضع الجسيمات لعملية تبريد مميزة، مع توزيع حراري عند${\displaystyle t=0}$بالنسبة لدرجة الحرارة الابتدائية كأقصى قيمة عند${\displaystyle x=0}$و${\displaystyle T=0}$في${\displaystyle x=-\infty }$و${\displaystyle x=\infty }$والملف الحراري عند${\displaystyle t=\infty }$ل${\displaystyle -\infty \leq x\leq \infty }$كشروط حدودية. ينتهي التبريد السريع بالرش بسرعة عند درجة حرارة ثابتة، وهو مشابه في شكله لمعادلة الانتشار الغاوسي. يتغير توزيع درجة الحرارة، بالنسبة لموقع وزمن هذا النوع من التبريد، وفقًا لما يلي: $${\displaystyle T(x,t)-T_{i}={\frac {T_{i}\Delta X}{2{\sqrt {\pi \alpha t}}}}\exp \left(-{\frac {x^{2}}{4\alpha t}}\right)}$$

يُعدّ التبريد بالرشّ مفهومًا أساسيًا تمّ تكييفه للاستخدام العملي في شكل رشّ حراري . معامل الانتشار الحراري ، المُعبّر عنه بـ${\displaystyle \alpha }$، ويمكن كتابتها على النحو التالي${\displaystyle \alpha ={\frac {k}{\rho C_{p}}}}$يختلف هذا باختلاف المادة. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

التبريد السريع للمعادن هو عملية انتقال حرارة عابرة تُقاس بتحول درجة الحرارة مع الزمن (TTT). من الممكن التحكم في عملية التبريد لضبط طور المادة المناسبة. على سبيل المثال، يمكن للتبريد السريع المناسب للفولاذ تحويل نسبة مرغوبة من الأوستنيت إلى مارتنسيت ، مما ينتج عنه منتج شديد الصلابة والقوة. ولتحقيق ذلك، من الضروري التبريد عند "نقطة التحول" (أو نقطة اليوتكتيك ) في مخطط TTT. ونظرًا لاختلاف أرقام بيوت للمواد ، فإن زمن التبريد، أو رقم فورييه ، يختلف عمليًا. ^{[ 10 ]} في الفولاذ، يتراوح نطاق درجة حرارة التبريد عادةً بين 600  درجة مئوية و200  درجة مئوية. وللتحكم في زمن التبريد واختيار وسط التبريد المناسب، من الضروري تحديد رقم فورييه من زمن التبريد المطلوب، وانخفاض درجة الحرارة النسبي، ورقم بيوت ذي الصلة. عادةً ما تُقرأ القيم الصحيحة من مخطط بياني قياسي . من خلال حساب معامل انتقال الحرارة من رقم بيوت هذا، يمكن إيجاد وسط سائل مناسب للتطبيق. ^{[ 11 ]}

تُعتبر خاصية التوصيل الحراري لأي غاز في ظل الظروف القياسية للضغط ودرجة الحرارة قيمة ثابتة. ولذلك، يمكن استخدام هذه الخاصية لغاز مرجعي معروف أو مخاليط غازية مرجعية معروفة في بعض التطبيقات الحسية، مثل محلل التوصيل الحراري.

يعتمد مبدأ عمل هذا الجهاز على قنطرة ويتستون التي تتكون من أربعة أسلاك متطابقة المقاومة. عند تمرير غاز معين فوق هذه الأسلاك، تتغير مقاومتها نتيجة لتغير موصليتها الحرارية، مما يؤدي إلى تغير جهد الخرج الكلي من قنطرة ويتستون. يُربط هذا الجهد بقاعدة البيانات لتحديد عينة الغاز.

يمكن أيضًا استخدام مبدأ التوصيل الحراري للغازات لقياس تركيز الغاز في خليط ثنائي من الغازات.

آلية العمل: إذا كان الغاز نفسه موجودًا حول جميع أسلاك جسر ويتستون، فستُحافظ جميع الأسلاك على درجة حرارة متساوية، وبالتالي ستُحافظ على مقاومة متساوية أيضًا، مما ينتج عنه جسر ويتستون متوازن. مع ذلك، إذا مُرِّرَت عينة غاز مختلفة (أو خليط غازات) فوق مجموعة من سلكين، ومُرِّرَ الغاز المرجعي فوق المجموعة الأخرى، فسيصبح جسر ويتستون غير متوازن. وسيتم ربط جهد الخرج الصافي الناتج للدائرة بقاعدة البيانات لتحديد مكونات غاز العينة.

باستخدام هذه التقنية، يمكن تحديد العديد من عينات الغاز المجهولة من خلال مقارنة موصليتها الحرارية مع غاز مرجعي آخر ذي موصلية حرارية معروفة. يُعد النيتروجين الغاز المرجعي الأكثر استخدامًا، نظرًا لتشابه الموصلية الحرارية لمعظم الغازات الشائعة (باستثناء الهيدروجين والهيليوم) مع موصلية النيتروجين.