Conductivitat Tèrmica dels Metalls: Com es Propaga el Calor a Través de Diferents Materials
La conductivitat tèrmica és una propietat que mesura quan bé un material pot transferir calor d'un punt a un altre sense moure el material en si. Depèn de factors com la estructura, la composició i la temperatura del material. En aquest article, ens centrarem en la conductivitat tèrmica dels metalls, que són sòlids amb alta conductivitat elèctrica i tèrmica, i alta densitat.
Què és un metall?
Un metall es defineix com un material sòlid que té una estructura cristal·lina, on els àtoms estan disposats en un patró regular. Els àtoms consisteixen en núcleus amb les seves cares de electrons bàsics, que estan estrictament lligats als núcleus. No obstant això, alguns dels electrons més externs estan lliures per moure's a través del metall, formant un mar d'electrons que poden portar corrent elèctric i energia tèrmica.
Els metalls tenen moltes propietats útils, com ara una gran resistència, ductilitat, maleabilitat, brill, i reflectivitat. També són bons conductors d'electricitat i calor, el que significa que poden transferir aquestes formes d'energia de manera eficient i ràpida.
Com es transmet la calor en els metalls?
La transmissió de calor és el procés de moure l'energia tèrmica d'una regió de temperatura més alta a una regió de temperatura més baixa. Hi ha tres modes principals de transmissió de calor: conducció, convecció i radiació.
La conducció és el mode de transmissió de calor que ocorre en sòlids, on la calor flueix a través del contacte directe entre àtoms o molècules. La convecció és el mode de transmissió de calor que ocorre en fluids (líquids o gasos), on la calor flueix a través del moviment de les partícules de fluid. La radiació és el mode de transmissió de calor que ocorre a través d'ones electromagnètiques, com la llum o la radiació infraroja.
En els metalls, la transmissió de calor principalment ocorre per conducció, ja que els metalls són sòlids i tenen molts electrons lliures. Els electrons lliures poden moure's aleatòriament a través del metall i col·lisionar amb altres electrons o àtoms, transferint energia cinètica i tèrmica. Quants més electrons lliures tingui un metall, més alta serà la seva conductivitat tèrmica.
Quins factors afecten la conductivitat tèrmica dels metalls?
La conductivitat tèrmica dels metalls depèn de diversos factors, com:
El tipus i el nombre d'electrons lliures: Els metalls amb més electrons lliures tenen una major conductivitat tèrmica, ja que poden portar més energia tèrmica. Per exemple, l'argent té la conductivitat tèrmica més alta entre els metalls, seguit pel cobre i l'or.
La massa atòmica i la mida: Els metalls amb àtoms més pesants i grans tenen una menor conductivitat tèrmica, ja que vibren més lentament i dificulten el moviment dels electrons lliures. Per exemple, el plom té una baixa conductivitat tèrmica entre els metalls.
La estructura cristal·lina i els defectes: Els metalls amb una estructura cristal·lina més regular i compacta tenen una major conductivitat tèrmica, ja que tenen menys resistència al flux d'electrons. Per exemple, els metalls amb una estructura cúbica tenen una major conductivitat tèrmica que els metalls amb una estructura hexagonal. Els defectes com impuretes, vacàncies o dislocacions també poden reduir la conductivitat tèrmica dels metalls dispersant els electrons.
La temperatura: La conductivitat tèrmica dels metalls varia amb la temperatura de diferents maneres, depenent del mecanisme dominant de transmissió de calor. Per als metalls purs i les allaus, la transmissió de calor és principalment deguda als electrons lliures (conducció elèctrica). A mesura que augmenta la temperatura, tant el nombre d'electrons lliures com les vibracions reticulars augmenten. Així, la conductivitat tèrmica dels metalls disminueix lleugerament amb l'augment de la temperatura. Per als aïllants i semiconductors, la transmissió de calor és principalment deguda a les vibracions reticulars (conducció fonònica). A mesura que augmenta la temperatura, les vibracions reticulars augmenten significativament i dispersen els electrons més freqüentment. Així, la conductivitat tèrmica dels aïllants i semiconductors augmenta ràpidament amb l'augment de la temperatura.
Què és la Llei de Wiedemann-Franz?
La Llei de Wiedemann-Franz és una relació que connecta la conductivitat elèctrica i la conductivitat tèrmica dels metalls a una temperatura determinada. Estableix que:
σK=LT
On,
K és la conductivitat tèrmica en W/m-K
σ és la conductivitat elèctrica en S/m
L és el número de Lorenz, que és una constant igual a 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T és la temperatura absoluta en K
Aquesta llei implica que els metalls que tenen una alta conductivitat elèctrica també tenen una alta conductivitat tèrmica, ja que ambdues propietats depenen dels electrons lliures. També implica que la raó de la conductivitat tèrmica a la conductivitat elèctrica és proporcional a la temperatura dels metalls.
No obstant això, aquesta llei té algunes limitacions. Només s'aplica a metalls purs i allaus a temperatures molt altes o molt baixes. No s'aplica a aïllants o semiconductors, on la conducció fonònica predomina sobre la conducció elèctrica. Tampoc no s'aplica a alguns metalls, com el berill o l'argent pur, que es desvien d'això.
Quins són els valors de conductivitat tèrmica de alguns metalls comuns?
La conductivitat tèrmica dels metalls varia ampliament depenent del tipus i la pureza del metall. La taula següent mostra alguns exemples de valors de conductivitat tèrmica per a alguns metalls comuns a temperatura ambient (25°C).
