رسانایی گرمایی فلزات: چگونه گرما از طریق مواد مختلف جریان می‌یابد
رسانایی حرارتی یک ویژگی است که میزان توانایی یک ماده در انتقال حرارت از یک نقطه به نقطه دیگر بدون حرکت خود ماده را اندازه‌گیری می‌کند. این ویژگی به عواملی مانند ساختار، ترکیب و دمای ماده بستگی دارد. در این مقاله، روی رسانایی حرارتی فلزات تمرکز می‌کنیم، که جامداتی با رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و چگالی بالا 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 هسته‌ای هستند که به هسته‌ها متصل شده‌اند. با این حال، برخی از الکترون‌های بیرونی آزاد هستند تا در فلز حرکت کنند و دریاچه‌ای از الکترون‌ها را تشکیل دهند که می‌توانند جریان الکتریکی و انرژی حرارتی را منتقل کنند.
فلزات خصوصیات مفید زیادی دارند، مانند قدرت بالا، پذیرایی، لاستیسیته، نورافکنی و بازتاب. آنها همچنین رسانای خوبی برای برق و حرارت هستند که به معنای توانایی آنها در انتقال این شکل‌های انرژی به طور موثر و سریع است.
حرارت چگونه در فلزات انتقال می‌یابد؟
انتقال حرارت فرآیندی است که انرژی حرارتی را از منطقه‌ای با دمای بالاتر به منطقه‌ای با دمای پایین‌تر انتقال می‌دهد. سه حالت اصلی انتقال حرارت عبارتند از: رسانش، همرفت و تشعشع.
رسانش حالتی از انتقال حرارت است که در جامدات رخ می‌دهد، جایی که حرارت از طریق تماس مستقیم بین اتم‌ها یا مولکول‌ها جریان می‌یابد. همرفت حالتی از انتقال حرارت است که در مایعات یا گازها (مواد مایع) رخ می‌دهد، جایی که حرارت از طریق حرکت ذرات مایع جریان می‌یابد. تشعشع حالتی از انتقال حرارت است که از طریق امواج الکترومغناطیسی مانند نور یا تشعشعات فروسرخ انجام می‌شود.
در فلزات، انتقال حرارت عمده‌اً از طریق رسانش انجام می‌شود، زیرا فلزات جامد هستند و الکترون‌های آزاد زیادی دارند. الکترون‌های آزاد می‌توانند به طور تصادفی در فلز حرکت کنند و با الکترون‌ها یا اتم‌های دیگر برخورد کنند و انرژی جنبشی و حرارتی را منتقل کنند. هرچه فلز الکترون‌های آزاد بیشتری داشته باشد، رسانایی حرارتی آن بالاتر است.
چه عواملی رسانایی حرارتی فلزات را تحت تاثیر قرار می‌دهند؟
رسانایی حرارتی فلزات به چندین عامل بستگی دارد، مانند:
نوع و تعداد الکترون‌های آزاد: فلزاتی که الکترون‌های آزاد بیشتری دارند رسانایی حرارتی بالاتری دارند زیرا می‌توانند انرژی حرارتی بیشتری را منتقل کنند. به عنوان مثال، نقره بالاترین رسانایی حرارتی را در میان فلزات دارد، پس از آن مس و طلا.
جرم اتمی و اندازه: فلزاتی که اتم‌های سنگین‌تر و بزرگتری دارند رسانایی حرارتی پایین‌تری دارند زیرا آنها به آرامی‌تر ترکیده و حرکت الکترون‌های آزاد را محدود می‌کنند. به عنوان مثال، سرب رسانایی حرارتی پایینی در میان فلزات دارد.
ساختار بلوری و نقص‌ها: فلزاتی که ساختار بلوری منظم‌تر و فشرده‌تری دارند رسانایی حرارتی بالاتری دارند زیرا آنها کمتر مقاومت به جریان الکترون‌ها دارند. به عنوان مثال، فلزاتی که ساختار مکعبی دارند رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به فلزاتی که ساختار شش‌ضلعی دارند دارند. نقص‌هایی مانند آلودگی، خلاء یا ناهماهنگی‌ها می‌توانند رسانایی حرارتی فلزات را با پراکندگی الکترون‌ها کاهش دهند.
دمای: رسانایی حرارتی فلزات با دمای به طرق مختلفی تغییر می‌کند بسته به مکانیسم غالب انتقال حرارت. برای فلزات خالص و آلیاژها، انتقال حرارت عمده‌اً به دلیل الکترون‌های آزاد (رسانش الکترونیکی) است. همان‌طور که دمای افزایش می‌یابد، هر دو تعداد الکترون‌های آزاد و ارتعاشات شبکه افزایش می‌یابند. بنابراین، رسانایی حرارتی فلزات با افزایش دمای کمی کاهش می‌یابد. برای عایق‌ها و نیمه‌رساناها، انتقال حرارت عمده‌اً به دلیل ارتعاشات شبکه (رسانش فونونی) است. همان‌طور که دمای افزایش می‌یابد، ارتعاشات شبکه به طور قابل توجهی افزایش می‌یابند و الکترون‌ها را بیشتر پراکنده می‌کنند. بنابراین، رسانایی حرارتی عایق‌ها و نیمه‌رساناها با افزایش دمای به طور سریعی افزایش می‌یابد.
قانون ویدمان-فرانز چیست؟
قانون ویدمان-فرانز یک رابطه است که رسانایی الکتریکی و رسانایی حرارتی فلزات را در دمای مشخصی به هم مرتبط می‌کند. این قانون بیان می‌کند که:
σK=LT
که در آن،
K رسانایی حرارتی در واحد W/m-K است
σ رسانایی 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 رسانایی الکتریکی بالایی دارند همچنین رسانایی حرارتی بالایی نیز دارند، زیرا هر دو ویژگی به الکترون‌های آزاد بستگی دارند. همچنین بیان می‌کند که نسبت رسانایی حرارتی به رسانایی 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 رسانش فونونی بر رسانش الکترونی غالب است قابل اعمال نیست. همچنین برای برخی فلزات مانند برمیل یا نقره خالص که از این قانون انحراف دارند قابل اعمال نیست.
مقدار رسانایی حرارتی برخی از فلزات معمولی چیست؟
