Nematik sıvı kristallerde sıcaklık gradyanı ve ısıl yayınım katsayılarının nümerik yöntemle belirlenmesi / Numerical determination of temperature gradient and thermal diffusivity coefficients in nematic liquid crystals

Abstract

Teknolojide geniş bir kullanım alanına sahip olan sıvı kristallerin moleküler yönelime bağlı olarak ısı parametrelerinin değişmesi onlar üzerinde daha çok çalışma yapılmasına neden olmaktadır. Foto-akustik ve foto-piro-elektrik teknikler bu alanda yapılan en yaygın çalışmalardır. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlara bağlı olarak sıvı kristallerin teknolojik amaçlı kullanımları da artmaktadır. Hesap makinesi, bilgisayar ve saat ekranları, sıvı kristal renk termometreleri gibi cihazlarda yaygın bir kullanım bulmaktadır. Bugün için elektronik cihazlarda görüntüleme sistemi olarak en çok kullanılan materyal nematik sıvı kristallerdir. Nematiklerin optik ve ısıl özelliklerinin uygulanan elektrik veya manyetik alanla yapısal ve fiziksel değişim sergilemesi, bu sıvı kristallerin daha çok kullanımına neden olmaktadır. Bu çalışmada, ticari olarak Sigma-Aldrich firmasından elde edilen 4-pentyl- 4?-cyanobiphenyl (5CB) ve 4'-octyl-4-cyanobiphenyl (8CB) nematik sıvı kristal malzemelerin, ısıl yayınım katsayıları nematik faz aralığında ve rasgele moleküler yönelimde incelenmiştir. Nematik sıvı kristallerin faz aralığı oda sıcaklığına yakın olduğundan çalışmaya kolaylık sağlamıştır. Deneyde sıvı kristal hücrenin içinde belli aralıklarla yerleştirilen termoçiftler ile sıcaklık değerlerinin uzaysal dağılımı dört düğüm noktasından elde edilmiştir. Alınan sıcaklık değerleri grafik programında eğriye dönüştürülmüştür ve bu eğrilere uygun fonksiyonlar belirlenmiştir. Son derece hassas davranılarak belirlenen fonksiyonlar tek tek C# dilinde yazılan ileriye doğru fark metodu kodunda derlenip, her bir eğri için ısıl yayınım katsayıları belirlenmiştir. Isıl yayınım katsayıları için elde edilen değerler, literatürde moleküler yönelimin paralel ve dik olduğu şartlardaki ısı yayılım aralığındaki beklenen değerlerle uyuştuğu gözlenmiştir. Thermal parameters that change with variation of molecular orientation in liquid crystals have led to studies work on these widely used technological materials. Photoacoustic and photopyroelectric techniques are the most common studies in this field. Based on the results obtained from these studies, technological use of liquid crystals has increased. Liquid Crystal Display (LCD) for calculators, computers, watches and thermometers are common examples for liquid crystal use in technology. Today, liquid crystals that are widely used in electric device market or in LCD technology are mostly nematic liquid crystals. Variation in optical and thermal properties of nematic crystals with the applied electric and magnetic field has caused an increased use of these crystals. In this study, thermal heat conduction coefficients of commercially available 4-pentyl-4?-cyanobiphenyl (5CB) and 4'-octyl-4-cyanobiphenyl (8CB) nematic liquid crystals were investigated for nematic phase and randomly molecular orientation. Since these liquid crystals show nematic phase at room temperature, it was easy to work with them. In the experiments, four thermocouples were placed at four different locations in the crystal to determine spatial temperature variation for the sample. The obtained data was graphed and from the graphs the optimum function by fitting was evaluated. Then these functions were solved numerically by forward finite difference method to find the thermal diffusivity coefficients. The program to solve this was written in C# language. The values of thermal diffusivity coefficients obtained in this study were consistent with literature values that were obtained when the molecular orientation was parallel and vertical.