Við hönnun á nýjum vörum hafa verkfræðingar fjölbreytt úrval af efnum til að velja úr. Það er mjög krefjandi verkefni að greina alla efniseiginleika á réttan hátt og setja þá í samhengi við endanlega vöru eða notkun. Í efnisvali gegna tveir varmaeiginleikar mikilvægu hlutverki: hitaleiðni og varmaþenslustuðull.
Í hvaða hitaaflfræðilegu forriti sem er, ætti að íhuga varmaleiðni og hitastækkunarstuðul efna vandlega, sérstaklega í forritum þar sem þessir eiginleikar hafa áhrif á endanlega afköst og endingartíma. Að velja efni með viðeigandi hitaleiðni getur bætt skilvirkni og afköst. Vegna einstakra hitaeiginleika þeirra er hægt að nota koltrefjar á mörgum nýjum notkunarsvæðum.
Varmaleiðni
Varmaleiðni, einnig þekkt sem varmadreifni, í einföldustu skilmálum, er mælikvarði á hversu áhrifaríkan hita streymir í gegnum tiltekið efni. Efni með einfalda sameindabyggingu hafa venjulega einnig hærri hitaleiðni. Þegar efni eru hituð fá agnir orku og titra. Þessi titringur veldur því að sameindir rekast á aðrar agnir og flytja orku til þeirra. Því meiri hita sem beitt er því meiri titringur og orkuflutningur á sér stað.
Stærðfræðileg framsetning á hitaleiðni er sem hér segir:
K=Varmaleiðni (W/(mK)) eða (Btu/(klst. fet gráðu F))
Q =Vitaflutningur (W) eða (Btu)
d=Fjarlægð milli tveggja jafnhitaplana (m) eða (ft)
A=yfirborðsflatarmál (m²) eða (ft²)
Delta T=Hitamunur (K) eða (gráðu F)
Hitaleiðni er mismunandi eftir efnum. Þar sem koltrefjar eru af mismunandi gerðum, hver með sína einstöku eiginleika, eru þær frábrugðnar öðrum efnum eins og vatni. Taflan hér að neðan sýnir mismunandi hitaleiðni ýmissa efna.
Framleiðendur og vísindamenn hafa þróað koltrefjasamsetningar með mikilli eða lágri hitaleiðni fyrir mismunandi notkun. Aðferðin við að mæla hitaleiðni hefur einnig áhrif á lokaniðurstöðu mælinga. Ef hitaleiðni er mæld meðfram trefjum er hún venjulega hærri en þegar hún er mæld þvert á trefjar (hornrétt stefna).
Hægt er að nota koltrefjar með mikilli hitaleiðni í ýmsum forritum. Til dæmis hefur japanskt fyrirtæki þróað koltrefjar til að bæla niður rafhlöðuna í farsímaforritum fyrir rafeindatæki. Endanleg umsókn ætti að ákvarða hvort verkfræðingar þurfa koltrefjar með lága eða mikla hitaleiðni.
Hitastækkunarstuðull
Annar lykill varmaaflfræðilegur eiginleiki sem verkfræðingar ættu að íhuga er hitastuðullinn. Hitastuðullinn er mælikvarði á hvernig stærð hlutar breytist þegar hann verður fyrir hitabreytingum. Það eru þrjár gerðir af hitastækkunarstuðlum: rúmmálsstuðlar, flatarmálsstuðlar og línulegir.
Þar sem koltrefjar eru venjulega fastar í flestum forritum ættu verkfræðingar að einbeita sér mest að flatarmáli og línulegum stuðlum varmaþenslu.
Stærðfræðileg framsetning á línulega stuðlinum varmaþenslu er sem hér segir:
alfa=Línulegur varmaþenslustuðull (K^-1} eða 1/K) eða (gráða F^{-1} eða 1/ gráðu F)
L={Upprunaleg lengd (m) eða (ft)
Delta L=Lengdarbreyting (m) eða (ft)
Delta T=Hitabreyting (K) eða (gráðu F)
Stærðfræðileg framsetning á flatarmálsstuðli varmaþenslu er sem hér segir:
alfa=varmaþenslustuðull (K^-1} eða 1/K) eða (gráða F^-1} eða 1/ gráðu F)
A={Upprunalegt flatarmál (m²) eða (ft²)
delta A={Svíabreyting (m²) eða (ft²)
delta T=Hitabreyting (K) eða (gráðu F)
Eins og hitaleiðni getur hitastækkunarstuðull koltrefja einnig verið mjög mismunandi. Þessi stuðull fer að miklu leyti eftir stefnu koltrefjanna í fylkinu. Dæmigert svið varmaþenslustuðulsins er á milli -1 K^{-1} til +8 K^{-1}. Taflan hér að neðan sýnir mismunandi varmaþenslustuðla fyrir ýmis efni.
Koltrefjar hafa neikvæðan varmaþenslustuðul. Þegar efnið er hitað dregst það saman. Koltrefjaatóm eru venjulega fest meðfram x og y ásnum. Flattengi sem festa trefjarnar meðfram x og y ásnum eru samgild tengi. Þetta gerir z-stefnuna ekki fasta og haldið saman af veikari van der Waals krafta.
Þegar koltrefjar eru hitnar byrja frumeindir að titra, aðallega í z átt. Þegar þetta gerist toga titrandi atómin í aðliggjandi atóm. Allt fyrirbærið veldur því að frumeindirnar bindast þéttari saman og dragast saman efnið í x og y áttina. Þegar hitinn eykst og frumeindirnar byrja að titra heldur efnið áfram að dragast saman.
Í sumum forritum getur neikvæða varmaþenslueignin skilað áhugaverðum árangri. Hægt er að sameina koltrefjar með plastefnisfylki sem hefur jákvæðan varmaþenslustuðul, þar sem hitastuðullinn sem myndast er nálægt núlli. Þetta getur skipt sköpum fyrir sum lítil tæki eins og mælitæki.