Termisk ledende egenskaber af metaller: Hvordan varme strømmer gennem forskellige materialer
Termisk ledningsevne er en egenskab, der måler, hvor godt et materiale kan overføre varme fra ét punkt til et andet uden at bevæge materialet selv. Den afhænger af faktorer som struktur, sammensætning og temperaturen på materialet. I denne artikel vil vi fokusere på den termiske ledningsevne hos metaller, som er faste stoffer med høj elektrisk og termisk ledningsevne samt høj densitet.
Hvad er et metal?
Et metal defineres som et fast materiale, der har en krystallin struktur, hvor de atomer er arrangeret i et regulært mønster. Atomerne består af kerner med deres omgivende skaller af kerneelektroner, som er tæt knyttet til kernerne. Nogle af de yderste elektroner er dog frie til at bevæge sig gennem metallet, danner en hav af elektroner, der kan bære elektrisk strøm og varmeenergi.
Metaller har mange nyttige egenskaber, såsom høj styrke, duktilitet, malleabilitet, glans og refleksivitet. De er også gode ledere af elektricitet og varme, hvilket betyder, at de kan overføre disse former for energi effektivt og hurtigt.
Hvordan overføres varme i metaller?
Varmetransfer er processen med at flytte termisk energi fra et område med højere temperatur til et område med lavere temperatur. Der findes tre hovedformer for varmetransfer: konduktion, konvektion og stråling.
Konduktion er formen for varmetransfer, der forekommer i faste stoffer, hvor varme flyder gennem direkte kontakt mellem atomer eller molekyler. Konvektion er formen for varmetransfer, der forekommer i væsker (flydende eller gasformige), hvor varme flyder gennem bevægelsen af væskede partikler. Stråling er formen for varmetransfer, der forekommer gennem elektromagnetiske bølger, såsom lys eller infrarød stråling.
I metaller finder varmetransfer hovedsageligt sted ved konduktion, da metaller er faste stoffer og har mange frie elektroner. De frie elektroner kan bevæge sig tilfældigt gennem metallet og kollidere med andre elektroner eller atomer, overfører kinetisk energi og termisk energi. Jo flere frie elektroner et metal har, jo højere er dets termiske ledningsevne.
Hvilke faktorer påvirker den termiske ledningsevne hos metaller?
Den termiske ledningsevne hos metaller afhænger af flere faktorer, såsom:
Typen og antallet af frie elektroner: Metaller med flere frie elektroner har højere termisk ledningsevne, da de kan bære mere varmeenergi. For eksempel har sølv den højeste termiske ledningsevne blandt metaller, fulgt af kobber og guld.
Atommassen og størrelsen: Metaller med tungere og større atomer har lavere termisk ledningsevne, da de vibrerer langsommere og hindrer bevægelsen af frie elektroner. For eksempel har bly en lav termisk ledningsevne blandt metaller.
Krystalstruktur og defekter: Metaller med en mere regulær og kompakt krystalstruktur har højere termisk ledningsevne, da de har mindre modstand mod elektronflod. For eksempel har metaller med en kubisk struktur højere termisk ledningsevne end metaller med en heksagonal struktur. Defekter som forureninger, vakancier eller dislokationer kan også reducere den termiske ledningsevne af metaller ved at sprede elektroner.
Temperaturen: Den termiske ledningsevne hos metaller varierer med temperaturen på forskellige måder, afhængigt af den dominerende mekanisme for varmetransfer. For rene metaller og legeringer er varmetransfer hovedsageligt skyld i frie elektroner (elektronisk konduktion). Når temperaturen stiger, øges både antallet af frie elektroner og gittervibrationer. Derfor falder den termiske ledningsevne af metaller let med stigende temperatur. For isolatorer og halvledere er varmetransfer hovedsageligt skyld i gittervibrationer (fononisk konduktion). Når temperaturen stiger, øges gittervibrationer betydeligt og spreder elektroner oftere. Derfor stiger den termiske ledningsevne af isolatorer og halvledere hurtigt med stigende temperatur.
Hvad er Wiedemann-Franz lov?
Wiedemann-Franz lov er en relation, der forbinder den elektriske ledningsevne og den termiske ledningsevne af metaller ved en given temperatur. Den siger, at:
σK=LT
Hvor,
K er den termiske ledningsevne i W/m-K
σ er den elektriske ledningsevne i S/m
L er Lorenz-nummeret, som er en konstant lig med 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T er den absolutte temperatur i K
Denne lov implicerer, at metaller, der har høj elektrisk ledningsevne, også har høj termisk ledningsevne, da begge egenskaber afhænger af de frie elektroner. Den implikerer også, at forholdet mellem den termiske ledningsevne og den elektriske ledningsevne er proportional med temperaturen på metaller.
Dog har denne lov nogle begrænsninger. Den gælder kun for rene metaller og legeringer ved meget høje eller meget lave temperaturer. Den gælder ikke for isolatorer eller halvledere, hvor fononisk konduktion dominanter over elektronisk konduktion. Den gælder heller ikke for nogle metaller, såsom beryllium eller rent sølv, som afviger fra dette.
Hvad er de termiske ledningsevner for nogle almindelige metaller?
Den termiske ledningsevne af metaller varierer meget afhængigt af typen og renheden af metallet. Tabellen nedenfor viser nogle eksempler på termiske ledningsevner for nogle almindelige metaller ved rumtemperatur (25°C).
