Metala Termokonduktiveco: Kiel Varmo Fluas Tra Diversaj Materialoj
Teplokonduktiveco estas eco, kiu mezuras kiom bone materialo povas transdoni varmon de unu punkto al alia sen movi la materialon mem. Ĝi dependas de faktoroj, kiel strukturo, kompozicio kaj temperaturo de la materialo. En ĉi tiu artikolo, ni fokusos pri la teplokonduktiveco de metaloj, kiuj estas solidoj kun alta elektra kaj teplokonduktiveco, kaj alta denseco.
Kio estas Metalo?
Metalo estas difinita kiel solida materialo, kiu havas kristalstrukturon, kie la atomoj estas aranĝitaj en regula modelo. La atomoj konsistas el nukleoj kun siaj ĉirkaŭaj skeloj de kernektronoj, kiuj estas forte ligitaj al la nukleoj. Tamen, iuj el la plej eksteraj nektronoj estas libraj por moviĝi tra la metalo, formante maron de nektronoj, kiuj povas porti elektran koranton kaj varmecon.
Metaloj havas multajn utilajn ecojn, kiel alta forto, duktilo, maleblo, luftro kaj reflektemo. Ili ankaŭ estas bonaj kondukiloj de elektriĉo kaj varmo, kio signifas, ke ili povas transdoni tiujn formojn de energio efike kaj rapide.
Kiel Varma Transdoniĝas en Metaloj?
Transdoniĝo de varmo estas procezo de movado de termenergio de regiono de pli alta temperaturo al regiono de pli malalta temperaturo. Estas tri ĉefaj modoj de varmotransdoniĝo: kondukado, konvekto kaj radiado.
Kondukado estas modo de varmotransdoniĝo, kiu okazas en solidoj, kie varmo fluas per direktkontakto inter atomoj aŭ molekuloj. Konvekto estas modo de varmotransdoniĝo, kiu okazas en fluidoj (likvaĵoj aŭ gazoj), kie varmo fluas per movado de fluidpartikloj. Radiado estas modo de varmotransdoniĝo, kiu okazas per elektromagnetaj ondoj, kiel lumo aŭ infrarudona radiado.
En metaloj, varmotransdoniĝo ĉefe okazas per kondukado, ĉar metaloj estas solidoj kaj havas multajn liberajn nektronojn. La liberaj nektronoj povas moviĝi hazardmaniere tra la metalo kaj koliziigi kun aliaj nektronoj aŭ atomoj, transdonante kinetan kaj termenergion. Ju pli da liberaj nektronoj havas metalo, des pli alta estas sia teplokonduktiveco.
Kaj Kiuj Faktoroj Affectas la Teplokonduktivecon de Metaloj?
La teplokonduktiveco de metaloj dependas de pluraj faktoroj, kiel:
La tipo kaj nombro de liberaj nektronoj: Metaloj kun pli da liberaj nektronoj havas pli altan teplokonduktivecon, ĉar ili povas porti pli da varmenergio. Ekzemple, argento havas la plej altan teplokonduktivecon inter metaloj, sekvas kupro kaj oro.
La atommaso kaj grandeco: Metaloj kun pli peza kaj pli granda atomoj havas pli malaltan teplokonduktivecon, ĉar ili vibradas pli malrapide kaj obstaklas la movadon de liberaj nektronoj. Ekzemple, plumbo havas malaltan teplokonduktivecon inter metaloj.
La kristalstrukturo kaj defektoj: Metaloj kun pli regulaj kaj kompakta kristalstrukturo havas pli altan teplokonduktivecon, ĉar ili havas malpli resistanco al elektronfluo. Ekzemple, metaloj kun kuba strukturo havas pli altan teplokonduktivecon ol metaloj kun sesangula strukturo. Defektoj, kiel impurecoj, vakancetoj aŭ dislokigoj, ankaŭ povas redukti la teplokonduktivecon de metaloj per disvastigado de elektronoj.
La temperaturo: La teplokonduktiveco de metaloj varias kun temperaturo en malsamaj manieroj depende de la dominanteca mekanismo de varmotransdoniĝo. Por puraj metaloj kaj legoj, varmotransdoniĝo estas ĉefe pro liberaj elektronoj (elektra kondukado). Kiam temperaturo pligrandiĝas, ambaŭ la nombro de liberaj elektronoj kaj reto-vibradoj pligrandiĝas. Do, la teplokonduktiveco de metaloj malpligrandiĝas leviĝe kun pligrandiĝanta temperaturo. Por izolantoj kaj duonkondukantoj, varmotransdoniĝo estas ĉefe pro reto-vibradoj (fononika kondukado). Kiam temperaturo pligrandiĝas, reto-vibradoj pligrandiĝas signife kaj disvastigas elektronojn pli ofte. Do, la teplokonduktiveco de izolantoj kaj duonkondukantoj rapidigas kun pligrandiĝanta temperaturo.
Kio estas Wiedemann-Franz Leĝo?
Wiedemann-Franz leĝo estas rilato, kiu konektas la elektran konduktivecon kaj la teplokonduktivecon de metaloj je donita temperaturo. Ĝi statas, ke:
σK=LT
Kie,
K estas la teplokonduktiveco en W/m-K
σ estas la elektra konduktiveco en S/m
L estas la Lorenz-nombro, kiu estas konstanto egala al 2.44 x 10^-8 W-ohmo/K^2
T estas la absoluta temperaturo en K
Ĉi tiu leĝo implicite diras, ke metaloj, kiuj havas altan elektran konduktivecon, ankaŭ havas altan teplokonduktivecon, ĉar ambaŭ ecoj dependas de la liberaj elektronoj. Ĝi ankaŭ implicite diras, ke la rilatumo de teplokonduktiveco al elektra konduktiveco estas proporcia al la temperaturo de metaloj.
Tamen, ĉi tiu leĝo havas kelkajn limigojn. Ĝi nur aplikas al puraj metaloj kaj legoj je tre alta aŭ tre malalta temperaturo. Ĝi ne aplikas al izolantoj aŭ duonkondukantoj, kie fononika kondukado dominas super elektra kondukado. Ĝi ankaŭ ne aplikas al kelkaj metaloj, kiel berilio aŭ pura argento, kiuj devias de ĉi tio.
Kiaj estas la Teplokonduktivecaj Valoroj de Kelkaj Komunaj Metaloj?
La teplokonduktiveco de metaloj variiĝas larĝe depende de la tipo kaj pureco de la metalo. La tabelo sube montras iujn ekzemplojn de teplokonduktivecaj valoroj por kelkaj komunaj metaloj je ĉambrotemperaturo (25°C).
