Metallide soojaläbilaskevus: Kuidas soojus vedeldatakse erinevatel materjalidel
Soolejuhtivus on omadus, mis mõõdab, kuidas materjal võib edastada soojust ühest punktist teise ilma, et materjali endiselt liigutataks. See sõltub teguritest nagu materjali struktuur, koostis ja temperatuur. Selles artiklis keskendume metallide soolejuhtivusele, mis on tahked, mis omavad kõrget elektrilist ja soolejuhtivust ning suurt tiheust.
Mis on metall?
Metall defineeritakse kui tahke, millel on kristalliline struktuur, kus aatomid on paigutatud regulaarse kaarega. Aatomid koosnevad tuumadest nende ümber olevate tuumaelektronide kaeltest, mis on tugevalt sidunud tuumadega. Siiski on mõned välised elektronid vabad liikuda metalli sees, moodustades elektronide mere, mis saab edastada elektrivoolu ja soojusenergia.
Metallidel on palju kasutatavaid omadusi, nagu kõrge tugevus, venituslikkus, painduvus, heledus ja peegelduvus. Nad on ka häid elektrijuhtimisi ja soojusjuhtimisi, mis tähendab, et nad saavad edastada need energiaformid efektiivselt ja kiiresti.
Kuidas toimub soojuse edastamine metallides?
Soojuse edastamine on protsess, kus termilist energiat liigutatakse kõrgemast temperatuurist madalamasse temperatuuri. On kolm peamist soojuseedastamise režiimi: konduktioon, konvektsioon ja radiatsioon.
Konduktioon on soojuseedastamise režiim, mis toimub tahkes, kus soojus voolab otsekontakti kaudu aatomite või molekulide vahel. Konvektsioon on soojuseedastamise režiim, mis toimub vedelikes (vedelikutes või gaasides), kus soojus voolab vedelike osakeste liikumise kaudu. Radiatsioon on soojuseedastamise režiim, mis toimub elektromagnetiliste lainete kaudu, näiteks valguse või infrapunane radiatsiooni kaudu.
Metallides toimub soojuseedastamine peamiselt konduktiooni kaudu, kuna metallid on tahked ja neil on palju vaba elektronit. Vabad elektronid saavad juhuslikult liikuda metalli sees ja põrkuda vastu teiste elektronide või aatomidega, edastades kinetilist ja termilist energiat. Mida rohkem vaba elektrone metallil on, seda kõrgem on tema soolejuhtivus.
Mis tegurid mõjutavad metallide soolejuhtivust?
Metallide soolejuhtivus sõltub mitmest tegurist, näiteks:
Vaba elektronite tüüp ja arv: Metallid, millel on rohkem vaba elektrone, omavad kõrgemat soolejuhtivust, kuna nad saavad edastada rohkem soojuseenergiat. Näiteks hõbedal on kõrgeim soolejuhtivus metallide seas, järgnevad kups ja kull.
Aatomi mass ja suurus: Metallid, millel on rasvad ja suured aatomid, omavad madalamat soolejuhtivust, kuna nad viivitavad aeglasemalt ja takistavad vaba elektronide liikumist. Näiteks plumb on madal soolejuhtivusega metallide seas.
Kristallstruktuur ja defektid: Metallid, millel on regulaarsem ja kompakterm kristallstruktuur, omavad kõrgemat soolejuhtivust, kuna neil on vähem vastupidavust elektronide voolule. Näiteks metallid, millel on kuubiline struktuur, omavad kõrgemat soolejuhtivust kui metallid, millel on heksagonaalne struktuur. Defektid, nagu segadused, puudulikkused või dislokatsioonid, võivad samuti vähendada metallide soolejuhtivust, levitades elektrone.
Temperatuur: Metallide soolejuhtivus muutub temperatuuri muutumisel erinevalt, sõltuvalt eelnevast soojuseedastamise mehhanismist. Täiesti puhtade metallide ja leiveste puhul on soojuseedastamine peamiselt seotud vaba elektronidega (elektroniline konduktioon). Kui temperatuur kasvab, siis kasvab nii vaba elektronide arv kui ka ressna viivitused. Seega, metallide soolejuhtivus väikeneb veidi temperatuuri kasvamisel. Erinevalt insulektorite ja pooljuhtide puhul, kus soojuseedastamine on peamiselt seotud ressnavigatsioonidega (fonooniline konduktioon), kui temperatuur kasvab, siis ressnavigatsioonid kasvavad oluliselt ja levitavad elektrone sagedamini. Seega, insulektorite ja pooljuhtide soolejuhtivus kasvab kiiresti temperatuuri kasvamisel.
Mis on Wiedemann-Franzi seadus?
Wiedemann-Franzi seadus on seos, mis ühendab metallide elektrilist juhtivust ja soolejuhtivust antud temperatuuril. See väidab, et:
σK=LT
Kus,
K on soolejuhtivus W/m-K-s
σ on elektriline juhtivus S/m-s
L on Lorenzi number, mis on konstant, mis võrdub 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T on absoluutne temperatuur K-s
See seadus tähendab, et metallid, millel on kõrge elektriline juhtivus, omavad ka kõrget soolejuhtivust, kuna mõlemad omadused sõltuvad vaba elektronidest. See tähendab ka, et soolejuhtivuse ja elektrilise juhtivuse suhe on proportsionaalne metallide temperatuurile.
Siiski, see seadus oma piirangutega. See rakendub ainult puhtade metallide ja leiveste puhul väga kõrgete või väga madalate temperatuuride korral. See ei rakendu insulektorite või pooljuhtide puhul, kus domineerib fonooniline konduktioon elektronilise konduktiooni kohal. See ei rakendu ka mõnel metallil, nagu berüllium või puhas hõbe, mis sellest lahknevad.
Mis on mõnede tavaliste metallide soolejuhtivuse väärtused?
Metallide soolejuhtivus varieerub laialdaselt metalli tüübi ja puhtuse järgi. Allpool on näidatud mõnede tavaliste metallide soolejuhtivuse väärtused ruumi temperatuuril (25°C).
