Термична проводимост на металите: Как топлината протича през различни материали

Термичната проводимост е свойство, което измерва колко добре материал може да пренася топлина от една точка към друга без да се движи самият материал. Тя зависи от фактори като структурата, състава и температурата на материала. В тази статия ще се фокусираме върху термичната проводимост на металите, които са твърди вещества с висока електрическа и термична проводимост, както и висока плътност.

Какво е Метал?

Метал се дефинира като твърдо вещество, което има кристална структура, където атомите са подредени в регулярен модел. Атомите се състоят от ядра с техните обкръжаващи облаци от основни електрони, които са силно свързани с ядрата. Обаче, някои от най-външните електрони са свободни да се движат по целия метал, формирайки море от електрони, които могат да носат електрическа тока и топлинна енергия.

Металите имат много полезни свойства, като висока прочност, дуктилност, майлабилност, блясък и отразителна способност. Те са и добри проводници на електричество и топлина, което означава, че могат ефективно и бързо да пренасят тези форми на енергия.

Как Се Пренася Топлината в Металите?

Пренасянето на топлина е процес, при който се премества термична енергия от област с по-висока температура към област с по-ниска температура. Има три основни начина за пренасяне на топлина: кондукция, конвекция и радиация.

Кондукцията е начинът на пренасяне на топлина, който се случва в твърди вещества, където топлината се пренася чрез директен контакт между атоми или молекули. Конвекцията е начинът на пренасяне на топлина, който се случва в течности (течности или газове), където топлината се пренася чрез движението на частиците на течността. Радиацията е начинът на пренасяне на топлина, който се случва чрез електромагнитни вълни, като светлина или инфрачервена радиация.

В металите, пренасянето на топлина главно се случва чрез кондукция, тъй като металите са твърди вещества и имат много свободни електрони. Свободните електрони могат да се движат случайно по целия метал и да се блъскат с други електрони или атоми, прехвърляйки кинетична и термична енергия. Колкото повече свободни електрони има метал, толкова по-висока е неговата термична проводимост.

Какви Фактори Влияят върху Термичната Проводимост на Металите?

Термичната проводимост на металите зависи от няколко фактора, като:

• Видът и броят на свободните електрони: Металите с повече свободни електрони имат по-висока термична проводимост, тъй като могат да пренасят повече топлинна енергия. Например, среброто има най-високата термична проводимост сред металите, последвано от медта и златото.

• Атомната маса и размер: Металите с по-тежки и по-големи атоми имат по-ниска термична проводимост, тъй като те вибрират по-бавно и затрудняват движението на свободните електрони. Например, оловото има ниска термична проводимост сред металите.

• Кристалната структура и дефектите: Металите с по-регулярна и компактна кристална структура имат по-висока термична проводимост, тъй като имат по-малко съпротивление към потока на електрони. Например, металите с кубична структура имат по-висока термична проводимост от металите с шестостенна структура. Дефектите като примеси, вакансии или разположения могат също да намалят термичната проводимост на металите, като разпръскват електрони.

• Температурата: Термичната проводимост на металите варира с температурата по различни начини, в зависимост от доминиращия механизъм на пренасяне на топлина. За чисти метали и сплави, пренасянето на топлина е главно благодарение на свободните електрони (електронна кондукция). Когато температурата се увеличава, както броят на свободните електрони, така и решетъчните вибрации се увеличават. Следователно, термичната проводимост на металите леко намалява с увеличаването на температурата. За диелектики и полупроводници, пренасянето на топлина е главно благодарение на решетъчните вибрации (фононна кондукция). Когато температурата се увеличава, решетъчните вибрации се увеличават значително и разпръскват електрони по-често. Следователно, термичната проводимост на диелектиките и полупроводниците бързо се увеличава с увеличаването на температурата.

Какво е Законът на Видеман-Франц?

Законът на Видеман-Франц е връзка, която свързва електрическата проводимост и термичната проводимост на металите при дадена температура. Той твърди, че:

σK=LT

Където,

• K е термичната проводимост в W/m-K

• σ е електрическата проводимост в S/m

• L е числото на Лоренц, което е константа равна на 2.44 x 10^-8 W-ом/K^2

• T е абсолютната температура в K

Този закон предполага, че металите, които имат висока електрическа проводимост, също имат висока термична проводимост, тъй като и двете свойства зависят от свободните електрони. Той също предполага, че отношението на термичната проводимост към електрическата проводимост е пропорционално на температурата на металите.

Обаче, този закон има някои ограничения. Той се прилага само за чисти метали и сплави при много високи или много ниски температури. Не се прилага за диелектики или полупроводници, където фононната кондукция доминира над електронната кондукция. Също не се прилага за някои метали, като берил и чисто сребро, които отклоняват от това.

Какви са Стойностите на Термичната Проводимост на Някои Често Срещани Метали?

Термичната проводимост на металите варира широко в зависимост от вида и чистотата на металите. Таблицата по-долу показва няколко примера за стойности на термична проводимост за някои често срещани метали при нормална температура (25°C).