Wärmeleitfähigkeit von Metallen: Wie Wärme durch verschiedene Materialien fließt
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Eigenschaft, die misst, wie gut ein Material Wärme von einem Punkt zu einem anderen übertragen kann, ohne dass sich das Material selbst bewegt. Sie hängt von Faktoren wie der Struktur, Zusammensetzung und Temperatur des Materials ab. In diesem Artikel werden wir uns auf die Wärmeleitfähigkeit von Metallen konzentrieren, die feste Stoffe mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie hoher Dichte sind.
Was ist ein Metall?
Ein Metall wird definiert als ein festes Material, das eine kristalline Struktur hat, in der die Atome in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Die Atome bestehen aus Kernen mit ihren umgebenden Schalen von Kern-Elektronen, die eng an die Kerne gebunden sind. Einige der äußersten Elektronen können jedoch frei durch das Metall bewegen und bilden einen Elektronenmeer, das elektrischen Strom und Wärmeenergie tragen kann.
Metalle haben viele nützliche Eigenschaften, wie z.B. hohe Festigkeit, Dehnbarkeit, Verformbarkeit, Glanz und Reflexion. Sie sind auch gute Leiter von Elektrizität und Wärme, was bedeutet, dass sie diese Formen von Energie effizient und schnell übertragen können.
Wie erfolgt die Wärmeübertragung in Metallen?
Wärmeübertragung ist der Prozess, bei dem thermische Energie von einer Region mit höherer Temperatur in eine Region mit niedrigerer Temperatur verlagert wird. Es gibt drei Hauptarten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.
Wärmeleitung ist die Art der Wärmeübertragung, die in Festkörpern stattfindet, wobei Wärme durch direkten Kontakt zwischen Atomen oder Molekülen fließt. Konvektion ist die Art der Wärmeübertragung, die in Flüssigkeiten oder Gasen (Fluide) stattfindet, wobei Wärme durch die Bewegung von Flüssigkeitspartikeln fließt. Strahlung ist die Art der Wärmeübertragung, die durch elektromagnetische Wellen, wie Licht oder Infrarotstrahlung, erfolgt.
In Metallen erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Wärmeleitung, da Metalle feste Stoffe sind und viele freie Elektronen haben. Die freien Elektronen können sich zufällig im Metall bewegen und mit anderen Elektronen oder Atomen kollidieren, wodurch kinetische und thermische Energie übertragen wird. Je mehr freie Elektronen ein Metall hat, desto höher ist seine Wärmeleitfähigkeit.
Welche Faktoren beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit von Metallen?
Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen hängt von mehreren Faktoren ab, wie:
Der Typ und die Anzahl der freien Elektronen: Metalle mit mehr freien Elektronen haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit, da sie mehr Wärmeenergie transportieren können. Zum Beispiel hat Silber die höchste Wärmeleitfähigkeit unter den Metallen, gefolgt von Kupfer und Gold.
Das Atomgewicht und -volumen: Metalle mit schwereren und größeren Atomen haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit, da sie langsamer vibrieren und die Bewegung der freien Elektronen behindern. Zum Beispiel hat Blei eine geringe Wärmeleitfähigkeit unter den Metallen.
Die Kristallstruktur und Defekte: Metalle mit einer regelmäßigeren und kompakteren Kristallstruktur haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit, da sie weniger Widerstand gegen den Elektronenfluss aufweisen. Zum Beispiel haben Metalle mit kubischer Struktur eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Metalle mit hexagonaler Struktur. Defekte wie Verunreinigungen, Leerstellen oder Versetzungen können die Wärmeleitfähigkeit von Metallen auch durch Streuung der Elektronen reduzieren.
Die Temperatur: Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen variiert mit der Temperatur auf verschiedene Weise, abhängig vom dominierenden Mechanismus der Wärmeübertragung. Bei reinen Metallen und Legierungen erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch freie Elektronen (elektronische Leitung). Mit steigender Temperatur nimmt sowohl die Anzahl der freien Elektronen als auch die Gittervibrationen zu. Daher nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Metallen leicht mit steigender Temperatur ab. Bei Isolatoren und Halbleitern erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Gittervibrationen (phononische Leitung). Mit steigender Temperatur nehmen die Gittervibrationen signifikant zu und streuen die Elektronen häufiger. Daher nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Isolatoren und Halbleitern mit steigender Temperatur stark zu.
Was ist das Wiedemann-Franz-Gesetz?
Das Wiedemann-Franz-Gesetz ist eine Beziehung, die die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Metallen bei einer bestimmten Temperatur verbindet. Es besagt, dass:
σK=LT
Wobei,
K ist die Wärmeleitfähigkeit in W/m-K
σ ist die elektrische Leitfähigkeit in S/m
L ist die Lorenz-Zahl, die eine Konstante ist und gleich 2,44 x 10^-8 W-Ohm/K^2
T ist die absolute Temperatur in K
Dieses Gesetz impliziert, dass Metalle, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, da beide Eigenschaften von den freien Elektronen abhängen. Es impliziert auch, dass das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit proportional zur Temperatur der Metalle ist.
Allerdings hat dieses Gesetz einige Einschränkungen. Es gilt nur für reine Metalle und Legierungen bei sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen. Es gilt nicht für Isolatoren oder Halbleiter, bei denen die phononische Leitung die elektronische Leitung dominiert. Es gilt auch nicht für einige Metalle, wie Beryllium oder reinen Silber, die von diesem Gesetz abweichen.
Welche Werte der Wärmeleitfähigkeit haben einige gängige Metalle?
Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen variiert stark je nach Typ und Reinheit des Metalls. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele für Werte der Wärmeleitfähigkeit für einige gängige Metalle bei Raumtemperatur (25°C).
