Metallien lämmönsiirto: Kuinka lämpö kulkee eri aineista

Lämpöjohtavuus on ominaisuus, joka mittailee, kuinka hyvin materiaali voi siirtää lämpöä yhdestä pisteestä toiseen ilman, että materiaalia itseään siirretään. Se riippuu tekijöistä kuten materiaalin rakenne, koostumus ja lämpötila. Tässä artikkelissa keskitymme metallien lämpöjohtavuuteen, jotka ovat kiinteitä aineita, joilla on korkea sähkö- ja lämpöjohtavuus sekä korkea tiheys.

Mitä on metalli?

Metallia määritellään kiinteäksi aineeksi, jolla on kristallinen rakenne, jossa atomeja on järjestetty säännölliseen kaavaan. Atomeista koostuvat ydin ja sen ympärillä olevat elektronikerroksensa, jotka ovat tiiviisti sidottuja ytimeen. Jotkut ulommat elektronit kuitenkin voivat liikkua vapaasti metallin sisällä, muodostaen elektronimeren, joka voi kuljettaa sähkövirtaa ja lämpöenergiaa.

Metallilla on monia hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten korkea vahvuus, venyvyys, taivuttavuus, loistavuus ja heijastuvuus. Ne ovat myös hyviä sähköjohtajia ja lämpöä, mikä tarkoittaa, että ne voivat siirtää näitä energiamuotoja tehokkaasti ja nopeasti.

Miten lämpö siirtyy metalleissa?

Lämpösiirto on prosessi, jossa lämpöenergiaa siirretään alueelta, jolla lämpötila on korkeampi, alueelle, jolla lämpötila on alhaisempi. On kolme pääasiallista lämpösiirtymoodia: johtuminen, konvektio ja säteily.

Johtuminen on lämpösiirtymoodi, joka tapahtuu kiinteissä aineissa, missä lämpö virtaa suoraan yhteydessä olevien atomin tai molekyylin välillä. Konvektio on lämpösiirtymoodi, joka tapahtuu nesteissä (vedessä tai kaasuissa), missä lämpö virtaa nesteen osioiden liikkeen avulla. Säteily on lämpösiirtymoodi, joka tapahtuu sähkömagneettisten aaltojen, kuten valon tai infrapunasäteilyn, avulla.

Metalleissa lämpösiirto tapahtuu pääasiassa johtumisen kautta, koska metallyt ovat kiinteitä aineita ja niissä on paljon vapaita elekroni. Vapaat elektronit voivat liikkua satunnaisesti metallin sisällä ja törmätä muihin elektroneihin tai atomeihin, siirtäen kinettista energiaa ja lämpöenergiaa. Mitä enemmän vapaita elektronie metallilla on, sitä korkeampi sen lämpöjohtavuus.

Mitä tekijöitä vaikuttaa metallien lämpöjohtavuuteen?

Metallien lämpöjohtavuus riippuu useista tekijöistä, kuten:

• Vapaan elektronin tyyppi ja määrä: Metallit, joilla on enemmän vapaita elektroneja, ovat korkeampi lämpöjohtavuudella, koska ne voivat kuljettaa enemmän lämpöenergiaa. Esimerkiksi hopealla on korkein lämpöjohtavuus metallien joukossa, seuraavaksi kupari ja kulta.

• Atomin massa ja koko: Metallit, joilla on raskaammat ja suuremmat atomit, ovat alhaisemmassa lämpöjohtavuudessa, koska ne värisevät hitaammin ja hidastavat vapaan elektronin liikettä. Esimerkiksi lyhdyn lämpöjohtavuus on alhainen metallien joukossa.

• Kristallirakenne ja puutteet: Metallit, joilla on säännöllisempi ja tiiviimpi kristallirakenne, ovat korkeammassa lämpöjohtavuudessa, koska niillä on vähemmän vastusta elektronien virtaukselle. Esimerkiksi metallit, joilla on kuutiomainen rakenne, ovat korkeammassa lämpöjohtavuudessa kuin metallit, joilla on heksagonaalinen rakenne. Puutteet, kuten epäpuhtaudet, tyhjiöt tai dislokatsiot, voivat myös vähentää metallien lämpöjohtavuutta elektronien hajaannuttamisen vuoksi.

• Lämpötila: Metallien lämpöjohtavuus vaihtelee lämpötilan mukaan eri tavoin riippuen dominanteista lämpösiirtymekananeista. Puhdaille metallille ja leivonteille lämpösiirto on pääasiassa vapaiden elektronien (elektroninen johtuminen) ansiota. Kun lämpötila nousee, sekä vapaiden elektronien määrä että hilavalivaikutukset kasvavat. Siksi metallien lämpöjohtavuus laskee hieman lämpötilan nousun myötä. Isolaattoreille ja puolijohtimille lämpösiirto on pääasiassa hilavalivaikutusten (foniaaninen johtuminen) ansiota. Kun lämpötila nousee, hilavalivaikutukset kasvavat merkittävästi ja hajottavat elektronit useammin. Siksi isolaattoreiden ja puolijohtimien lämpöjohtavuus kasvaa nopeasti lämpötilan nousun myötä.

Mikä on Wiedemann-Franzin laki?

Wiedemann-Franzin laki on suhde, joka yhdistää metallien sähköjohtavuuden ja lämpöjohtavuuden annetussa lämpötilassa. Se sanoo, että:

σK=LT

Missä,

• K on lämpöjohtavuus W/m-K

• σ on sähköjohtavuus S/m

• L on Lorenzin luku, joka on vakio, jonka arvo on 2.44 x 10^-8 W-ohmi/K^2

• T on absoluuttinen lämpötila K

Tämä laki viittaa siihen, että metallit, joilla on korkea sähköjohtavuus, myös ovat korkeassa lämpöjohtavuudessa, koska molemmat ominaisuudet riippuvat vapaiden elektronien määrästä. Se myös viittaa siihen, että lämpöjohtavuuden ja sähköjohtavuuden suhde on verrannollinen metallien lämpötilaan.

Kuitenkin tällä lailla on joitakin rajoituksia. Se soveltuu vain puhdasiin metalliin ja leivonteihin hyvin korkeissa tai hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Se ei soveldu isolaattoreihin tai puolijohtimiin, joissa foniaaninen johtuminen dominoi elektronista johtumista. Se ei myöskään sovellu joillekin metalleille, kuten berylliumiin tai puhdaseen hopeeseen, jotka poikkeavat tästä.

Mitä ovat joitakin yleisten metallien lämpöjohtavuusarvoja?

Metallien lämpöjohtavuus vaihtelee laajasti metallin tyyppi- ja puhtauden mukaan. Alla oleva taulukko näyttää joitakin esimerkkejä lämpöjohtavuusarvoista joillekin yleisille metallille huoneen lämpötilassa (25°C).