هیت کنداکتیویته ی متقاطع: چگونه هیت از طریق مواد مختلف جریان پیدا می کند

حرارت‌رسانی یک ویژگی است که اندازه‌گیری می‌کند که چقدر یک ماده می‌تواند حرارت را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل کند بدون اینکه خود ماده حرکت کند. این ویژگی به عواملی مانند ساختار، ترکیب و دمای ماده بستگی دارد. در این مقاله، ما بر روی حرارت‌رسانی فلزات تمرکز خواهیم کرد، که جامداتی با هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و چگالی زیاد هستند.حرارت‌رسانی فلزات که جامداتی با هدایت الکتریکی و حرارتی بالا و چگالی زیاد هستند.

فلز چیست؟

فلز به عنوان یک ماده جامد تعریف می‌شود که ساختار بلوری دارد، جایی که اتوم‌ها به صورت منظم مرتب شده‌اند. اتم‌ها شامل هسته‌ها با پوشش‌های الکترون‌های کرنلی هستند که به هسته‌ها متصل هستند. با این حال، بعضی از الکترون‌های بیرونی آزاد هستند تا در سراسر فلز حرکت کنند و دریایی از الکترون‌ها را تشکیل دهند که می‌توانند جریان الکتریکی و انرژی حرارتی را منتقل کنند.

فلزات خصوصیات مفید زیادی دارند، مانند قدرت بالا، انعطاف‌پذیری، تغییر شکل‌پذیری، لمعان و انعکاس. آنها همچنین رسانندگان خوب برای الکتریسیته و حرارت هستند، که به این معناست که آنها می‌توانند این اشکال انرژی را به طور موثر و سریع منتقل کنند.

حرارت چگونه در فلزات منتقل می‌شود؟

انتقال حرارت فرآیندی است که انرژی حرارتی را از منطقه‌ای با دمای بالاتر به منطقه‌ای با دمای پایین‌تر منتقل می‌کند. سه حالت اصلی انتقال حرارت وجود دارد: هدایت، جابجایی و تابش.

هدایت حالتی از انتقال حرارت است که در جامدات رخ می‌دهد، جایی که حرارت از طریق تماس مستقیم بین اتم‌ها یا مولکول‌ها جریان می‌یابد. جابجایی حالتی از انتقال حرارت است که در مایعات (مایع یا گاز) رخ می‌دهد، جایی که حرارت از طریق حرکت ذرات مایع جریان می‌یابد. تابش حالتی از انتقال حرارت است که از طریق امواج الکترومغناطیسی مانند نور یا تابش تحت‌قرمز انجام می‌شود.

در فلزات، انتقال حرارت اغلب از طریق هدایت انجام می‌شود، زیرا فلزات جامد هستند و الکترون‌های آزاد زیادی دارند. الکترون‌های آزاد می‌توانند به طور تصادفی در سراسر فلز حرکت کنند و با الکترون‌ها یا اتم‌های دیگر برخورد کنند و انرژی جنبشی و حرارتی را منتقل کنند. هرچه الکترون‌های آزاد یک فلز بیشتر باشد، هدایت حرارتی آن بیشتر خواهد بود.

چه عواملی بر هدایت حرارتی فلزات تأثیر می‌گذارند؟

هدایت حرارتی فلزات به چندین عامل بستگی دارد، مانند:

• نوع و تعداد الکترون‌های آزاد: فلزات با الکترون‌های آزاد بیشتر هدایت حرارتی بالاتری دارند زیرا می‌توانند انرژی حرارتی بیشتری منتقل کنند. به عنوان مثال، نقره بالاترین هدایت حرارتی را در میان فلزات دارد، که توسط مس و طلا دنبال می‌شود.

• جرم اتمی و اندازه: فلزات با اتم‌های سنگین‌تر و بزرگتر هدایت حرارتی پایین‌تری دارند زیرا آنها به آرامی تر می‌نوسند و حرکت الکترون‌های آزاد را مختل می‌کنند. به عنوان مثال، سرب دارای هدایت حرارتی پایینی در میان فلزات است.

• ساختار بلوری و نقص‌ها: فلزات با ساختار بلوری منظم‌تر و فشرده‌تر هدایت حرارتی بالاتری دارند زیرا آنها مقاومت کمتری به جریان الکترون دارند. به عنوان مثال، فلزات با ساختار مکعبی هدایت حرارتی بالاتری نسبت به فلزات با ساختار شش‌ضلعی دارند. نقص‌هایی مانند آلودگی، خالی‌بودن یا اختلال‌های ساختاری می‌توانند هدایت حرارتی فلزات را با پراکندگی الکترون‌ها کاهش دهند.

• دمای: هدایت حرارتی فلزات با دما به طور مختلف تغییر می‌کند بسته به مکانیزم غالب انتقال حرارت. برای فلزات خالص و آلیاژها، انتقال حرارت عموماً به دلیل الکترون‌های آزاد (هدایت الکترونی) است. همان‌طور که دما افزایش می‌یابد، هم تعداد الکترون‌های آزاد و هم ارتعاشات شبکه افزایش می‌یابند. بنابراین، هدایت حرارتی فلزات با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد. برای عایق‌ها و نیمه‌رساناها، انتقال حرارت عموماً به دلیل ارتعاشات شبکه (هدایت فونونی) است. همان‌طور که دما افزایش می‌یابد، ارتعاشات شبکه به طور قابل توجهی افزایش می‌یابند و الکترون‌ها را بیشتر پراکنده می‌کنند. بنابراین، هدایت حرارتی عایق‌ها و نیمه‌رساناها با افزایش دما به طور سریعی افزایش می‌یابد.

قانون ویدمان-فرانز چیست؟

قانون ویدمان-فرانز یک رابطه است که هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی فلزات را در یک دمای مشخص به هم متصل می‌کند. این قانون بیان می‌کند که:

σK=LT

که در آن،

• K هدایت حرارتی در واحد W/m-K است

• σ هدایت الکتریکی در واحد S/m است

• L عدد لورنز است که یک ثابت برابر با 2.44 x 10^-8 W-اهم/K^2 است

• T دمای مطلق در K است

این قانون بیان می‌کند که فلزاتی که هدایت الکتریکی بالایی دارند همچنین هدایت حرارتی بالایی هم دارند، زیرا هر دو ویژگی به الکترون‌های آزاد بستگی دارند. این قانون همچنین بیان می‌کند که نسبت هدایت حرارتی به هدایت الکتریکی متناسب با دمای فلزات است.

با این حال، این قانون محدودیت‌هایی دارد. این قانون فقط برای فلزات خالص و آلیاژها در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین قابل اعمال است. این قانون برای عایق‌ها یا نیمه‌رساناها که هدایت فونونی بر هدایت الکترونی غلبه دارد، قابل اعمال نیست. این قانون همچنین برای برخی فلزات مانند برم یا نقره خالص که از این قانون انحراف می‌کنند، قابل اعمال نیست.

هدایت حرارتی برخی فلزات معمول چیست؟

هدایت حرارتی فلزات به طور گسترده‌ای بسته به نوع و خلوص فلز متفاوت است.