التم dẫn الحراري للمعادن: كيف يتدفق الحرارة عبر مواد مختلفة
تعتبر الموصلية الحرارية خاصية تقيس مدى قدرة مادة على نقل الحرارة من نقطة إلى أخرى دون تحريك المادة نفسها. تعتمد هذه الخاصية على عوامل مثل البنية والتركيب ودرجة الحرارة للمادة. في هذا المقال، سنركز على الموصلية الحرارية للمعادن، وهي مواد صلبة تتميز بموصلية كهربائية وحرارية عالية وكثافة عالية.
ما هي المعادن؟
يُعرَّف المعدن بأنه مادة صلبة لها بنية بلورية، حيث تكون الذرات مرتبة في نمط منتظم. تتكون الذرات من نوى مع غلافها الخارجي من الإلكترونات الأساسية التي ترتبط بإحكام بالنوى. ومع ذلك، بعض الإلكترونات الخارجية الأكثر حرية يمكن أن تتحرك عبر المعدن، مما يشكل بحرًا من الإلكترونات يمكن أن يحمل تيارًا كهربائيًا وطاقة حرارية.
للمعادن العديد من الخصائص المفيدة، مثل القوة العالية والمرونة واللمعان والانعكاسية. كما أنها موصلات جيدة للكهرباء والحرارة، مما يعني أنها يمكن أن تنقل هذه الأشكال من الطاقة بكفاءة وبسرعة.
كيف يتم نقل الحرارة في المعادن؟
يعتبر نقل الحرارة عملية نقل الطاقة الحرارية من منطقة ذات درجة حرارة أعلى إلى منطقة ذات درجة حرارة أقل. هناك ثلاثة أنماط رئيسية لنقل الحرارة: التوصيل والتداين والإشعاع.
التوصيل هو النمط الذي يحدث في المواد الصلبة، حيث تتدفق الحرارة من خلال الاتصال المباشر بين الذرات أو الجزيئات. التداين هو النمط الذي يحدث في السوائل (سواء كانت سوائل أو غازات)، حيث تتدفق الحرارة من خلال حركة جزيئات السائل. الإشعاع هو النمط الذي يحدث من خلال الأمواج الكهرومغناطيسية، مثل الضوء أو الإشعاع تحت الأحمر.
في المعادن، يحدث نقل الحرارة بشكل أساسي عن طريق التوصيل، حيث أن المعادن هي مواد صلبة ولديها العديد من الإلكترونات الحرة. يمكن للإلكترونات الحرة أن تتحرك بشكل عشوائي داخل المعدن وتتصادم مع إلكترونات أو ذرات أخرى، مما يؤدي إلى نقل الطاقة الحركية والحرارية. كلما زاد عدد الإلكترونات الحرة في المعدن، ارتفعت موصلية الحرارة فيه.
ما هي العوامل التي تؤثر على الموصلية الحرارية للمعادن؟
تعتمد الموصلية الحرارية للمعادن على عدة عوامل، مثل:
نوع وعدد الإلكترونات الحرة: المعادن التي تحتوي على المزيد من الإلكترونات الحرة تتمتع بموصلية حرارية أعلى لأنها يمكن أن تحمل طاقة حرارية أكبر. على سبيل المثال، الفضة لديها أعلى موصلية حرارية بين المعادن، تليها النحاس والذهب.
الكتلة الذرية والحجم: المعادن ذات الذرات الأثقل والأكبر لديها موصلية حرارية أقل لأنها تهتز ببطء أكبر وتمنع حركة الإلكترونات الحرة. على سبيل المثال، الرصاص لديه موصلية حرارية منخفضة بين المعادن.
البنية البلورية والعيوب: المعادن ذات البنية البلورية المنتظمة والمدمجة تتمتع بموصلية حرارية أعلى لأنها تمتلك أقل مقاومة لتدفق الإلكترونات. على سبيل المثال، المعادن ذات البنية المكعبة تتمتع بموصلية حرارية أعلى من المعادن ذات البنية السداسية. يمكن أيضًا أن تقلل العيوب مثل الشوائب والفجوات أو التشوهات من الموصلية الحرارية للمعادن بتشتت الإلكترونات.
درجة الحرارة: تختلف الموصلية الحرارية للمعادن مع درجة الحرارة بطريقة مختلفة اعتمادًا على الآلية الرئيسية لنقل الحرارة. بالنسبة للمعادن النقية والسبائك، يكون نقل الحرارة بشكل رئيسي بسبب الإلكترونات الحرة (الموصلية الإلكترونية). مع زيادة درجة الحرارة، يزداد عدد الإلكترونات الحرة والاهتزازات البلورية. وبالتالي، تنخفض الموصلية الحرارية للمعادن قليلاً مع زيادة درجة الحرارة. بالنسبة للمعزلات والأشباه موصلات، يكون نقل الحرارة بشكل رئيسي بسبب الاهتزازات البلورية (الموصلية الصوتية). مع زيادة درجة الحرارة، تزداد الاهتزازات البلورية بشكل كبير وتتشتت الإلكترونات بشكل أكثر تكرارًا. وبالتالي، تزداد الموصلية الحرارية للمعزلات والأشباه موصلات بسرعة مع زيادة درجة الحرارة.
ما هو قانون ويدهمان-فرانز؟
قانون ويدهمان-فرانز هو علاقة تربط بين الموصلية الكهربائية والموصلية الحرارية للمعادن عند درجة حرارة معينة. ينص القانون على أن:
σK=LT
حيث،
K هي الموصلية الحرارية بوحدة W/m-K
σ هي الموصلية الكهربائية بوحدة S/m
L هو عدد لورنتز، وهو ثابت يساوي 2.44 x 10^-8 W-أوم/K^2
T هي درجة الحرارة المطلقة بوحدة K
يشير هذا القانون إلى أن المعادن التي تتمتع بموصلية كهربائية عالية تتمتع أيضًا بموصلية حرارية عالية لأن كلا الخاصيتين تعتمدان على الإلكترونات الحرة. كما يشير أيضًا إلى أن نسبة الموصلية الحرارية إلى الموصلية الكهربائية تكون متناسبة مع درجة حرارة المعادن.
ومع ذلك، فإن لهذا القانون بعض القيود. فهو ينطبق فقط على المعادن النقية والسبيكة عند درجات الحرارة العالية جدًا أو المنخفضة جدًا. لا ينطبق على المعزلات أو الأشباه موصلات، حيث تهيمن الموصلية الصوتية على الموصلية الإلكترونية. كما أنه لا ينطبق على بعض المعادن، مثل البيريليوم أو الفضة النقية، والتي تختلف عن هذا القانون.
ما هي قيم الموصلية الحرارية لبعض المعادن الشائعة؟
تختلف الموصلية الحرارية للمعادن بشكل كبير اعتمادًا على نوع ونقاء المعدن. الجدول أدناه يوضح بعض الأمثلة على قيم الموصلية الحرارية لبعض المعادن الشائعة عند درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية).
