Kakuladkad ng init sa mga metal: Paano ang pagdaloy ng init sa iba't ibang materyales
Ang thermal conductivity ay isang katangian na magsusukat kung gaano kahusay ang isang materyal sa paglipat ng init mula sa isang punto hanggang sa isa pa nito nang hindi inililipat ang materyal mismo. Ito ay depende sa mga factor tulad ng istraktura, komposisyon, at temperatura ng materyal. Sa artikulong ito, kami ay tututok sa thermal conductivity ng mga metal, na mga solidong may mataas na electrical at thermal conductivity, at mataas na density.
Ano ang Metal?
Ang metal ay inilalarawan bilang isang matigas na materyal na may crystalline structure, kung saan ang mga atom ay nakalinya sa regular na pattern. Ang mga atom ay binubuo ng nuclei kasama ang kanilang mga shell ng core electrons, na tiyak na nakapagkonekta sa nuclei. Gayunpaman, ang ilang mga pinakamataas na electrons ay malayang makakapagmove sa buong metal, nagpapabuo ng dagat ng electrons na maaaring magdala ng electric current at heat energy.
Ang mga metal ay may maraming kapaki-pakinabang na katangian, tulad ng mataas na lakas, ductility, malleability, luster, at reflectivity. Sila rin ay mahusay na conductors ng electricity at init, na ibig sabihin sila ay maaaring maglipat ng mga anyo ng enerhiya nang mabilis at maayos.
Paano Naglipat ang Init sa Mga Metal?
Ang heat transfer ay ang proseso ng paglipat ng thermal energy mula sa isang rehiyon ng mas mataas na temperatura patungo sa isang rehiyon ng mas mababang temperatura. May tatlong pangunahing mode ng heat transfer: conduction, convection, at radiation.
Ang conduction ay ang mode ng heat transfer na nangyayari sa solids, kung saan ang init ay lumilipat sa pamamagitan ng direct contact sa pagitan ng mga atom o molekula. Ang convection ay ang mode ng heat transfer na nangyayari sa fluids (liquids o gases), kung saan ang init ay lumilipat sa pamamagitan ng paggalaw ng mga particles ng fluid. Ang radiation ay ang mode ng heat transfer na nangyayari sa pamamagitan ng electromagnetic waves, tulad ng light o infrared radiation.
Sa mga metal, ang heat transfer pangunahing nangyayari sa pamamagitan ng conduction, dahil ang mga metal ay solids at may maraming libreng electrons. Ang mga libreng electrons ay maaaring galawin random sa buong metal at magcollide sa iba pang electrons o atoms, na nagpapalipat ng kinetic energy at thermal energy. Ang mas maraming libreng electrons ang isang metal, ang mas mataas ang kanyang thermal conductivity.
Ano ang mga Factor na Nakakaapekto sa Thermal Conductivity ng Mga Metal?
Ang thermal conductivity ng mga metal ay depende sa maraming factor, tulad ng:
Ang uri at bilang ng libreng electrons: Ang mga metal na may mas maraming libreng electrons ay may mas mataas na thermal conductivity dahil sila ay maaaring magdala ng mas maraming heat energy. Halimbawa, ang silver ay may pinakamataas na thermal conductivity sa mga metal, sumunod naman ang copper at gold.
Ang atomic mass at laki: Ang mga metal na may mas mabigat at mas malaking atoms ay may mas mababang thermal conductivity dahil sila ay nagvibrate nang mas mabagal at naghahadlang sa paggalaw ng libreng electrons. Halimbawa, ang lead ay may mababang thermal conductivity sa mga metal.
Ang crystal structure at defects: Ang mga metal na may mas regular at compact na crystal structure ay may mas mataas na thermal conductivity dahil sila ay may mas kaunti na resistance sa electron flow. Halimbawa, ang mga metal na may cubic structure ay may mas mataas na thermal conductivity kaysa sa mga metal na may hexagonal structure. Ang mga defect tulad ng impurities, vacancies, o dislocations ay maaari ring bawasan ang thermal conductivity ng mga metal sa pamamagitan ng pag-scatter ng electrons.
Ang temperatura: Ang thermal conductivity ng mga metal ay nagbabago depende sa temperatura sa iba't ibang paraan depende sa dominant na mechanism ng heat transfer. Para sa pure metals at alloys, ang heat transfer ay pangunahing dahil sa libreng electrons (electronic conduction). Habang tumaas ang temperatura, tumaas din ang bilang ng libreng electrons at lattice vibrations. Kaya, ang thermal conductivity ng mga metal ay medyo bumababa habang tumaas ang temperatura. Para sa insulators at semiconductors, ang heat transfer ay pangunahing dahil sa lattice vibrations (phononic conduction). Habang tumaas ang temperatura, ang lattice vibrations ay tumaas nang malaking bahagi at nag-scatter ng electrons nang mas madalas. Kaya, ang thermal conductivity ng insulators at semiconductors ay tumaas nang mabilis habang tumaas ang temperatura.
Ano ang Wiedemann-Franz Law?
Ang Wiedemann-Franz law ay isang relasyon na nag-uugnay sa electrical conductivity at thermal conductivity ng mga metal sa isang ibinigay na temperatura. Ito ay nagsasaad na:
σK=LT
Kung saan,
K ang thermal conductivity sa W/m-K
σ ang electrical conductivity sa S/m
L ang Lorenz number, na isang constant na equal sa 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T ang absolute temperature sa K
Ito ay nangangahulugan na ang mga metal na may mataas na electrical conductivity ay may mataas ding thermal conductivity dahil parehong properties ito ay depende sa libreng electrons. Ito rin nangangahulugan na ang ratio ng thermal conductivity sa electrical conductivity ay proportional sa temperatura ng mga metal.
Gayunpaman, meron itong ilang limitasyon. Ito lamang ay applicable sa pure metals at alloys sa napakataas o napakababang temperatura. Hindi ito applicable sa insulators o semiconductors, kung saan ang phononic conduction ang dominant over electronic conduction. Hindi rin ito applicable sa ilang mga metal, tulad ng beryllium o pure silver, na deviate mula dito.
Ano ang mga Value ng Thermal Conductivity ng Ilang Common na Mga Metal?
Ang thermal conductivity ng mga metal ay malawak na nag-iiba depende sa uri at purity ng metal. Ang table sa ibaba ay nagpapakita ng ilang halimbawa ng thermal conductivity values para sa ilang common na mga metal sa room temperature (25°C).
