Termiese geleidbaarheid van Metale: Hoe hitte deur verskillende materiaal vloei
Termiese geleidigheid is 'n eienskap wat aandui hoe goed 'n materiaal warmte van die een plek na 'n ander kan oorbring sonder om die materiaal self te beweeg. Dit hang af van faktore soos die struktuur, samestelling en temperatuur van die materiaal. In hierdie artikel sal ons fokus op die termiese geleidigheid van metale, wat vaste stowwe is met hoë elektriese en termiese geleidigheid, en hoë digtheid.
Wat is 'n Metaal?
'n Metaal word gedefinieer as 'n vaste stof wat 'n kristalliene struktuur het, waar die atome in 'n gereelde patroon gerangskik is. Die atome bestaan uit kerne met hul omringende skelle van kern-elektrone, wat stevig aan die kerne gebond is. Sommige van die uiterste elektrone is egter vry om deur die metaal te beweeg, wat 'n see van elektrone vorm wat elektriese stroom en warmte-energie kan dra.
Metale het baie nuttige eienskappe, soos hoë sterkte, veerbaarheid, hamerbaarheid, glans, en refleksiwiteit. Hulle is ook goeie elektriese geleiders en van warmte, wat beteken dat hulle hierdie vorme van energie doeltreffend en vinnig kan oorbring.
Hoe Oorbreng Warmte in Metale?
Warmteoorgang is die proses van die verplaas van termiese energie van 'n gebied met hoër temperatuur na 'n gebied met laer temperatuur. Daar is drie hoof modes van warmteoorgang: geleiding, konveksie, en straling.
Geleiding is die mode van warmteoorgang wat in vaste stowwe plaasvind, waar warmte deur direkte kontak tussen atome of molekules vloei. Konveksie is die mode van warmteoorgang wat in vloeistowwe (vloeistowwe of gasse) plaasvind, waar warmte deur die beweging van vloeistofdeeltjies vloei. Straling is die mode van warmteoorgang wat deur elektromagnetiese golwe, soos lig of infrarood-straling, plaasvind.
In metale vind warmteoorgang hoofsaaklik deur geleiding plaas, omdat metale vaste stowwe is en baie vry elektrone het. Die vry elektrone kan ewekansig deur die metaal beweeg en bots met ander elektrone of atome, wat kinetiese en termiese energie oordra. Hoe meer vry elektrone 'n metaal het, hoe hoër sy termiese geleidigheid.
Watter Faktore Beïnvloed die Termiese Geleidigheid van Metale?
Die termiese geleidigheid van metale hang af van verskeie faktore, soos:
Die tipe en aantal vry elektrone: Metale met meer vry elektrone het hoër termiese geleidigheid, omdat hulle meer warmte-energie kan dra. Byvoorbeeld, silwer het die hoogste termiese geleidigheid onder metale, gevolg deur koper en goud.
Die atoommassa en -grootte: Metale met swaar en groot atome het laer termiese geleidigheid, omdat hulle trawer vibreer en die beweging van vry elektrone belemmer. Byvoorbeeld, lood het 'n lae termiese geleidigheid onder metale.
Die kristalstruktuur en defekte: Metale met 'n meer reëlmatige en kompakte kristalstruktuur het hoër termiese geleidigheid, omdat hulle minder weerstand het teen elektronvloei. Byvoorbeeld, metale met 'n kubusstruktuur het hoër termiese geleidigheid as metale met 'n heksagonale struktuur. Defekte soos onreine, vakanties, of dislokasies kan ook die termiese geleidigheid van metale verminder deur elektrone te versprei.
Die temperatuur: Die termiese geleidigheid van metale varieer met temperatuur op verskillende maniere, afhangende van die dominante mekanisme van warmteoorgang. Vir suiwer metale en legers, is warmteoorgang hoofsaaklik toe te skryf aan vry elektrone (elektroniese geleiding). Wanneer die temperatuur styg, styg sowel die aantal vry elektrone as roostertrillinge. Dus, die termiese geleidigheid van metale daal liggies met toenemende temperatuur. Vir isolerders en halfgeleiers, is warmteoorgang hoofsaaklik toe te skryf aan roostertrillinge (fononiese geleiding). Wanneer die temperatuur styg, styg roostertrillinge beduidend en versprei elektrone meer gereeld. Dus, die termiese geleidigheid van isolerders en halfgeleiers styg vinnig met toenemende temperatuur.
Wat is die Wiedemann-Franz Wet?
Die Wiedemann-Franz wet is 'n verwantskap wat die elektriese geleidigheid en die termiese geleidigheid van metale by 'n gegewe temperatuur verbind. Dit stel voor dat:
σK=LT
Waar,
K is die termiese geleidigheid in W/m-K
σ is die elektriese geleidigheid in S/m
L is die Lorenz getal, wat 'n konstante is wat gelyk is aan 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T is die absolute temperatuur in K
Hierdie wet impliseer dat metale wat hoë elektriese geleidigheid het, ook hoë termiese geleidigheid het, omdat beide eienskappe afhang van die vry elektrone. Dit impliseer ook dat die verhouding van termiese geleidigheid tot elektriese geleidigheid eweredig is aan die temperatuur van metale.
Dit het egter sekere beperkings. Dit is slegs van toepassing op suiwer metale en legers by baie hoë of baie lae temperature. Dit is nie van toepassing op isolerders of halfgeleiers nie, waar fononiese geleiding domineer oor elektroniese geleiding. Dit is ook nie van toepassing op sommige metale, soos beryllium of suiwer silwer, wat hiervan afwyk nie.
Watter Termiese Geleidigheidswaardes het Sommige Algemene Metale?
Die termiese geleidigheid van metale varieer wye afhangende van die tipe en suurdheid van die metaal. Die tabel hieronder wys sommige voorbeelde van termiese geleidigheidswaardes vir 'n paar algemene metale by kamertemperatuur (25°C).
