Tepelná vodivost kovů: Jak teplo proudí skrze různé materiály
Tepelná vodivost je vlastnost, která měří, jak dobře materiál dokáže přenášet teplo z jednoho místa na druhé bez pohybu samotného materiálu. Závisí na faktorech, jako je struktura, složení a teplota materiálu. V tomto článku se zaměříme na tepelnou vodivost kovů, které jsou pevné látky s vysokou elektrickou a tepelnou vodivostí a vysokou hustotou.
Co je kov?
Kov je definován jako pevný materiál, který má krystalickou strukturu, kde atomy jsou uspořádány v pravidelném vzoru. Atomy se skládají z jader s jejich okolními skupinami valenčních elektronů, které jsou těsně spojeny s jádry. Některé z nejvzdálenějších elektronů však mohou volně pohybovat po celém kovu, tvoříce moře elektronů, které mohou nést elektrický proud a tepelnou energii.
Kovy mají mnoho užitečných vlastností, jako je vysoká pevnost, tažnost, štěpnost, lesk a odrazivost. Jsou také dobrými vodiči elektřiny a tepla, což znamená, že mohou efektivně a rychle přenášet tyto formy energie.
Jak probíhá přenos tepla v kovech?
Přenos tepla je proces, při němž se tepelná energie přenáší z oblasti vyšší teploty do oblasti nižší teploty. Existuje tři hlavní způsoby přenosu tepla: vedení, konvekce a radiace.
Vedení je způsob přenosu tepla, který probíhá v pevných látkách, kde teplo protéká přímým kontaktovým stykem mezi atomy nebo molekulami. Konvekce je způsob přenosu tepla, který probíhá v tekutinách (kapalinách nebo plynech), kde teplo protéká pohybem částic tekutiny. Radiace je způsob přenosu tepla, který probíhá prostřednictvím elektromagnetických vln, jako je světlo nebo infračervené záření.
U kovů převážně probíhá přenos tepla vedením, protože kovy jsou pevné látky a mají mnoho volných elektronů. Volné elektrony mohou náhodně pohybovat po celém kovu a kolizí s jinými elektrony nebo atomy přenášejí kinetickou a tepelnou energii. Čím více volných elektronů má kov, tím vyšší je jeho tepelná vodivost.
Jaké faktory ovlivňují tepelnou vodivost kovů?
Tepelná vodivost kovů závisí na několika faktorech, jako jsou:
Typ a počet volných elektronů: Kovy s více volnými elektrony mají vyšší tepelnou vodivost, protože mohou nést více tepelné energie. Například stříbro má nejvyšší tepelnou vodivost mezi kovy, následované mědí a zlatem.
Atomová hmotnost a velikost: Kovy s těžšími a většími atomy mají nižší tepelnou vodivost, protože vibrují pomaleji a brání pohybu volných elektronů. Například olovo má nízkou tepelnou vodivost mezi kovy.
Krystalická struktura a defekty: Kovy s pravidelnější a kompaktnější krystalickou strukturou mají vyšší tepelnou vodivost, protože mají menší odpor k toku elektronů. Například kovy s kubickou strukturou mají vyšší tepelnou vodivost než kovy s šesterečnou strukturou. Defekty, jako jsou znečištění, chybějící atomy nebo dislokace, mohou také snížit tepelnou vodivost kovů rozptylováním elektronů.
Teplota: Tepelná vodivost kovů se liší s teplotou podle dominantního mechanismu přenosu tepla. Pro čisté kovy a slitiny je přenos tepla převážně způsoben volnými elektrony (elektronické vedení). S rostoucí teplotou se zvyšuje počet volných elektronů a vibrace mřížky. Tedy tepelná vodivost kovů mírně klesá s rostoucí teplotou. Pro izolátory a polovodiče je přenos tepla převážně způsoben vibracemi mřížky (fononové vedení). S rostoucí teplotou se vibrace mřížky značně zvyšují a rozptylují elektrony častěji. Tedy tepelná vodivost izolátorů a polovodičů rychle roste s rostoucí teplotou.
Co je Wiedemann-Franzův zákon?
Wiedemann-Franzův zákon je vztah, který spojuje elektrickou vodivost a tepelnou vodivost kovů při dané teplotě. Říká, že:
σK=LT
Kde,
K je tepelná vodivost v W/m-K
σ je elektrická vodivost v S/m
L je Lorenzovo číslo, které je konstantou rovnou 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T je absolutní teplota v K
Tento zákon implikuje, že kovy, které mají vysokou elektrickou vodivost, mají také vysokou tepelnou vodivost, protože obě vlastnosti závisí na volných elektronech. Také implikuje, že poměr tepelné vodivosti k elektrické vodivosti je úměrný teplotě kovů.
Nicméně tento zákon má některé omezení. Platí pouze pro čisté kovy a slitiny při velmi vysokých nebo velmi nízkých teplotách. Neplatí pro izolátory nebo polovodiče, kde dominuje fononové vedení nad elektronickým vedením. Taktéž neplatí pro některé kovy, jako je berýl nebo čisté stříbro, které odchylují od tohoto zákona.
Jaké jsou hodnoty tepelné vodivosti některých běžných kovů?
Tepelná vodivost kovů se velmi liší v závislosti na typu a čistotě kovu. Tabulka níže ukazuje několik příkladů hodnot tepelné vodivosti některých běžných kovů při pokojové teplotě (25°C).
