थर्मल शॉक

थर्मल शॉक एक ऐसी घटना है जो तापमान में तेजी से बदलाव की विशेषता है जिसके परिणामस्वरूप किसी वस्तु पर क्षणिक यांत्रिक भार होता है। भार तापमान परिवर्तन के कारण वस्तु के विभिन्न भागों के अंतर विस्तार के कारण होता है। इस अंतर विस्तार को तनाव (यांत्रिकी) के बजाय तनाव (पदार्थ विज्ञान) के रूप में समझा जा सकता है। जब तनाव सामग्री की तन्य शक्ति से अधिक हो जाता है, तो इससे दरारें बन सकती हैं और अंततः संरचनात्मक विफलता हो सकती है।

थर्मल शॉक को रोकने के तरीकों में शामिल हैं:
 * तापमान को धीरे-धीरे बदलकर तापीय प्रवणता  को कम करना
 * सामग्री की तापीय चालकता में वृद्धि
 * सामग्री के थर्मल विस्तार के गुणांक को कम करना
 * सामग्री की ताकत बढ़ाना
 * सामग्री में संपीडित तनाव का परिचय देना, जैसे टेम्पर्ड ग्लास में
 * सामग्री के यंग के मापांक को कम करना
 * प्लास्टिक विरूपण और चरण परिवर्तन की प्रक्रिया का उपयोग करके क्रैक टिप ब्लंटिंग या क्रैक विक्षेपण के माध्यम से सामग्री की कठोरता को बढ़ाना

सामग्री पर प्रभाव
बोरोसिल ग्लास कम विस्तार गुणांक और अधिक ताकत के संयोजन के माध्यम से अधिकांश अन्य ग्लास की तुलना में थर्मल शॉक को बेहतर तरीके से झेलने के लिए बनाया गया है, हालांकि इन दोनों मामलों में फ्यूज्ड क्वार्ट्ज बेहतर प्रदर्शन करता है। कुछ कांच सिरेमिक सामग्री (ज्यादातर लिथियम एलुमिनोसिलिकेट (एलएएस) प्रणाली में ) एक नकारात्मक विस्तार गुणांक के साथ सामग्री का एक नियंत्रित अनुपात शामिल करें, ताकि समग्र गुणांक को तापमान की यथोचित व्यापक सीमा पर लगभग शून्य तक कम किया जा सके।

सर्वोत्तम थर्मोमैकेनिकल सामग्रियों में अल्युमिना, zirconia, टंगस्टन मिश्र धातु, सिलिकॉन नाइट्राइड,  सिलिकन कार्बाइड , बोरान कार्बाइड और कुछ स्टेनलेस स्टील्स हैं।

ग्रेफाइट की अत्यधिक उच्च तापीय चालकता और कम विस्तार गुणांक, कार्बन फाइबर की उच्च शक्ति और संरचना के भीतर दरारों को विक्षेपित करने की एक उचित क्षमता के कारण प्रबलित कार्बन-कार्बन थर्मल शॉक के लिए बेहद प्रतिरोधी है।

थर्मल शॉक को मापने के लिए, आवेग उत्तेजना तकनीक एक उपयोगी उपकरण साबित हुई। इसका उपयोग गैर-विनाशकारी तरीके से यंग के मापांक, कतरनी मापांक, पॉइसन के अनुपात और डंपिंग अनुपात गुणांक को मापने के लिए किया जा सकता है। एक ही टेस्ट-पीस को अलग-अलग थर्मल शॉक साइकल के बाद मापा जा सकता है और इस तरह भौतिक गुणों में गिरावट को मैप किया जा सकता है।

थर्मल शॉक प्रतिरोध
तेजी से तापमान परिवर्तन के अधीन अनुप्रयोगों में सामग्री चयन के लिए थर्मल शॉक प्रतिरोध उपायों का उपयोग किया जा सकता है। थर्मल शॉक प्रतिरोध का एक सामान्य उपाय अधिकतम तापमान अंतर है, $$\Delta T$$, जिसे दी गई मोटाई के लिए सामग्री द्वारा बनाए रखा जा सकता है।

शक्ति-नियंत्रित थर्मल शॉक प्रतिरोध
तेजी से तापमान परिवर्तन के अधीन अनुप्रयोगों में सामग्री चयन के लिए थर्मल शॉक प्रतिरोध उपायों का उपयोग किया जा सकता है। अधिकतम तापमान में उछाल, $\Delta T$, एक सामग्री द्वारा टिकाऊ शक्ति नियंत्रित मॉडल के लिए परिभाषित किया जा सकता है: $$B\Delta T = \frac{\sigma_f}{\alpha E}$$ कहाँ $$\sigma_f$$ विफलता तनाव है (जो यील्ड (इंजीनियरिंग) या भंग  हो सकता है), $$\alpha$$ थर्मल विस्तार का गुणांक है, $$E$$ यंग का मापांक है, और $$B$$ भाग की बाधा, भौतिक गुणों और मोटाई के आधार पर एक स्थिरांक है।

$$B = \frac{C}{A}$$ कहाँ $$C$$ पॉसों के अनुपात पर निर्भर एक प्रणाली विवशता है, $\nu$, और $$A$$ एक आयाम रहित मात्रा है | बायोट संख्या पर निर्भर गैर-आयामी पैरामीटर, $\mathrm{Bi}$.

$$C = \begin{cases} 1 & \text{axial stress} \\ (1-\nu) & \text{biaxial constraint} \\ (1-2\nu) & \text{triaxial constraint} \end{cases}$$

$$A$$ अनुमानित किया जा सकता है: $$A = \frac{Hh/k}{1 + Hh/k} = \frac{\mathrm{Bi}}{1 + \mathrm{Bi}}$$ कहाँ $$H$$ मोटाई है, $$h$$ गर्मी हस्तांतरण गुणांक है, और $$k$$ तापीय चालकता है।

सही गर्मी हस्तांतरण
अगर सही गर्मी हस्तांतरण ($\mathrm{Bi} = \infty$) माना जाता है, सामग्री द्वारा समर्थित अधिकतम ताप अंतरण है:

$$\Delta T = A_1\frac{\sigma_f}{E\alpha}$$
 * $$A_1 \approx 1$$ प्लेटों में ठंडे झटके के लिए
 * $$A_1 \approx 3.2$$ प्लेटों में गर्म झटके के लिए

फ्रैक्चर स्ट्रेस डिराइव्ड परफेक्ट हीट ट्रांसफर केस में थर्मल शॉक रेजिस्टेंस के अनुसार सामग्री के चयन के लिए सामग्री का चयन इसलिए है: $$\frac{\sigma_f}{E\alpha}$$

गरीब गर्मी हस्तांतरण
खराब गर्मी हस्तांतरण वाले मामलों के लिए ($\mathrm{Bi} < 1$), सामग्री द्वारा समर्थित अधिकतम ताप अंतर है: $$\Delta T = A_2\frac{\sigma_f}{E\alpha}\frac{1}{\mathrm{Bi}} = A_2\frac{\sigma_f}{E\alpha}\frac{k}{hH}$$
 * $$A_2 \approx 3.2$$ ठंडे झटके के लिए
 * $$A_2 \approx 6.5$$ गर्म झटके के लिए

खराब गर्मी हस्तांतरण मामले में, उच्च गर्मी हस्तांतरण गुणांक थर्मल शॉक प्रतिरोध के लिए फायदेमंद होता है। खराब गर्मी हस्तांतरण मामले के लिए भौतिक सूचकांक अक्सर इस प्रकार लिया जाता है: $$\frac{k\sigma_f}{E\alpha}$$ दोनों सही और खराब गर्मी हस्तांतरण मॉडल के अनुसार, ठंडे झटके की तुलना में गर्म झटके के लिए बड़े तापमान के अंतर को सहन किया जा सकता है।

फ्रैक्चर बेरहमी नियंत्रित थर्मल शॉक प्रतिरोध
सामग्री फ्रैक्चर ताकत द्वारा परिभाषित थर्मल शॉक प्रतिरोध के अलावा, मॉडल को फ्रैक्चर यांत्रिकी ढांचे के भीतर भी परिभाषित किया गया है। लू और फ्लेक ने फ्रैक्चर बेरहमी नियंत्रित क्रैकिंग के आधार पर थर्मल शॉक क्रैकिंग के लिए मापदंड तैयार किए। मॉडल सिरेमिक (आमतौर पर भंगुर सामग्री) में थर्मल शॉक पर आधारित थे। एक अनंत प्लेट और मोड आई क्रैक क्रैकिंग मानते हुए, दरार को ठंडे झटके के लिए किनारे से शुरू करने की भविष्यवाणी की गई थी, लेकिन गर्म झटके के लिए प्लेट का केंद्र। मॉडलों को और सरल बनाने के लिए मामलों को सही और खराब गर्मी हस्तांतरण में विभाजित किया गया था।

सही गर्मी हस्तांतरण
संवहन ताप अंतरण (और इसलिए बड़ी बायोट संख्या) बढ़ने के साथ टिकाऊ तापमान कूद घटता है। यह सही गर्मी हस्तांतरण के लिए नीचे दिखाए गए मॉडल में दर्शाया गया है ($\mathrm{Bi} = \infty$).

$$\Delta T = A_3 \frac{K_{Ic}}{E \alpha \sqrt {\pi H}}$$ कहाँ $$K_{Ic}$$ वह विधा है जिससे मैं कठोरता को भंग करता हूं, $$E$$ यंग का मापांक है, $$\alpha$$ थर्मल विस्तार गुणांक है, और $$H$$ प्लेट की मोटाई आधी है।


 * $$A_3 \approx 4.5$$ ठंडे झटके के लिए
 * $$A_4 \approx 5.6$$ गर्म झटके के लिए

फ्रैक्चर यांत्रिकी में सामग्री के चयन के लिए एक सामग्री सूचकांक सही गर्मी हस्तांतरण मामले से प्राप्त होता है: $$\frac{K_{Ic}}{E\alpha}$$

गरीब गर्मी हस्तांतरण
खराब ताप हस्तांतरण वाले मामलों के लिए, बायोट संख्या टिकाऊ तापमान उछाल में एक महत्वपूर्ण कारक है।

$$\Delta T = A_4 \frac{K_{Ic}}{E \alpha \sqrt{\pi H}}\frac{k}{hH}$$ गंभीर रूप से, खराब ताप हस्तांतरण के मामलों के लिए, उच्च तापीय चालकता वाली सामग्री, $k$, उच्च थर्मल शॉक प्रतिरोध है। नतीजतन, खराब गर्मी हस्तांतरण मामले में थर्मल शॉक प्रतिरोध के लिए आमतौर पर चुना गया सामग्री सूचकांक है: $$\frac{kK_{Ic}}{E\alpha}$$

किंगरी थर्मल शॉक के तरीके
फ्रैक्चर शुरू करने के लिए तापमान अंतर डब्ल्यू डेविड किंगरी द्वारा वर्णित किया गया है: $$\Delta T_c = S \frac{k\sigma^*(1-\nu)}{E\alpha} \frac{1}{h} = \frac{S}{hR^'}$$ कहाँ $$S$$ आकार कारक है, $$\sigma^*$$ फ्रैक्चर तनाव है, $$k$$ तापीय चालकता है, $$E$$ यंग का मापांक है, $$\alpha$$ थर्मल विस्तार का गुणांक है, $$h$$ गर्मी हस्तांतरण गुणांक है, और $$R'$$ एक फ्रैक्चर प्रतिरोध पैरामीटर है। फ्रैक्चर प्रतिरोध पैरामीटर एक सामान्य मीट्रिक है जिसका उपयोग सामग्री के थर्मल शॉक टॉलरेंस को परिभाषित करने के लिए किया जाता है।

$$R' = \frac{k\sigma^*(1-v)}{E\alpha}$$ सूत्र सिरेमिक सामग्री के लिए व्युत्पन्न किए गए थे, और तापमान से स्वतंत्र भौतिक गुणों के साथ एक सजातीय शरीर की धारणा बनाते हैं, लेकिन अन्य भंगुर सामग्रियों पर अच्छी तरह से लागू किया जा सकता है।

परीक्षण
थर्मल शॉक परीक्षण सामान्य उपयोग के दौरान तापमान चक्र या थर्मल झटके के कारण होने वाली विफलताओं को तेज करने के लिए उत्पादों को बारी-बारी से कम और उच्च तापमान में उजागर करता है। चरम तापमान के बीच संक्रमण बहुत तेजी से होता है, प्रति मिनट 15 °C से अधिक।

थर्मल शॉक परीक्षण करने के लिए आमतौर पर एकल या एकाधिक कक्षों वाले उपकरण का उपयोग किया जाता है। एकल कक्ष थर्मल शॉक उपकरण का उपयोग करते समय, उत्पाद एक कक्ष में रहते हैं और कक्ष वायु का तापमान तेजी से ठंडा और गर्म होता है। कुछ उपकरण लिफ्ट तंत्र के साथ अलग-अलग गर्म और ठंडे कक्षों का उपयोग करते हैं जो उत्पादों को दो या अधिक कक्षों के बीच स्थानांतरित करता है।

कांच के कंटेनर तापमान में अचानक परिवर्तन के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं। परीक्षण की एक विधि में ठंडे से गर्म पानी के स्नान और वापस तेजी से चलना शामिल है।

थर्मल शॉक विफलता के उदाहरण

 * क्वार्टजाइट जैसे अयस्क शिराओं वाली कठोर चट्टानों को पहले अग्नि-सेटिंग का उपयोग करके तोड़ा गया था, जिसमें चट्टान के चेहरे को लकड़ी की आग से गर्म करना शामिल था, फिर दरार के विकास को प्रेरित करने के लिए पानी से बुझाना। इसका वर्णन मिस्र की सोने की खानों, प्लिनी द एल्डर और जॉर्ज एग्रीकोला में डियोडोरस सिकुलस द्वारा किया गया है।
 * गर्म पानी के एक गिलास में रखे बर्फ के टुकड़ों को थर्मल शॉक से क्रैक किया जाता है क्योंकि बाहरी सतह आंतरिक की तुलना में बहुत तेजी से तापमान में वृद्धि करती है। बाहरी परत गर्म होने पर फैलती है, जबकि आंतरिक काफी हद तक अपरिवर्तित रहता है। विभिन्न परतों के बीच आयतन में यह तेजी से परिवर्तन बर्फ में तनाव पैदा करता है जो तब तक बनता है जब तक कि बल बर्फ की ताकत से अधिक न हो जाए, और एक दरार बन जाती है, कभी-कभी कंटेनर से बर्फ के टुकड़े निकालने के लिए पर्याप्त बल के साथ।
 * तापदीप्त प्रकाश बल्ब जो कुछ समय से चल रहा है, उसकी सतह बहुत गर्म होती है। उन पर ठंडे पानी के छींटे मारने से थर्मल शॉक के कारण कांच टूट सकता है और बल्ब फट सकता है।
 * एक प्राचीन कच्चा लोहा चूल्हा पैरों पर एक साधारण लोहे का बक्सा होता है, जिसमें कच्चा लोहा शीर्ष होता है। डिब्बे के अंदर लकड़ी या कोयले की आग बनाई जाती है और डिब्बे की ऊपरी बाहरी सतह पर तवे की तरह खाना पकाया जाता है। यदि आग बहुत अधिक गर्म की जाती है और फिर ऊपर की सतह पर पानी डालकर चूल्हे को ठंडा किया जाता है, तो यह थर्मल शॉक के कारण फट जाएगा।
 * यह व्यापक रूप से अनुमानित है कि स्वतंत्रता की घंटी  के बेलफाउंडिंग के बाद, इसे बहुत जल्दी ठंडा होने दिया गया, जिससे घंटी की अखंडता कमजोर हो गई और इसके परिणामस्वरूप पहली बार बजने पर इसके किनारे एक बड़ी दरार आ गई। इसी तरह, तापमान के मजबूत ढाल (पानी से आग बुझाने के कारण) को तीसरे ज़ार बेल के टूटने का कारण माना जाता है।
 * आंतरिक दहन इंजनों में मुख्य गासकेट की विफलता के लिए थर्मल शॉक एक प्राथमिक योगदानकर्ता है।

यह भी देखें

 * बायोट संख्या
 * आवेग उत्तेजना तकनीक
 * सहज कांच टूटना
 * तनाव (सामग्री विज्ञान)