Conductivité thermique des métaux : Comment la chaleur se propage à travers différents matériaux
La conductivité thermique est une propriété qui mesure la capacité d'un matériau à transférer de la chaleur d'un point à un autre sans déplacer le matériau lui-même. Elle dépend de facteurs tels que la structure, la composition et la température du matériau. Dans cet article, nous nous concentrerons sur la conductivité thermique des métaux, qui sont des solides dotés d'une grande conductivité électrique et thermique, ainsi que d'une densité élevée.
Qu'est-ce qu'un métal?
Un métal est défini comme un matériau solide ayant une structure cristalline, où les atomes sont disposés selon un motif régulier. Les atomes se composent de noyaux avec leurs couches électroniques internes, qui sont étroitement liées aux noyaux. Cependant, certains des électrons les plus externes sont libres de se déplacer dans tout le métal, formant une mer d'électrons qui peuvent transporter un courant électrique et de l'énergie thermique.
Les métaux possèdent de nombreuses propriétés utiles, telles qu'une grande résistance, ductilité, malléabilité, brillance et réflectivité. Ils sont également de bons conducteurs d'électricité et de chaleur, ce qui signifie qu'ils peuvent transférer ces formes d'énergie de manière efficace et rapide.
Comment la chaleur se transfère-t-elle dans les métaux?
Le transfert de chaleur est le processus de déplacement de l'énergie thermique d'une région à haute température vers une région à basse température. Il existe trois modes principaux de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.
La conduction est le mode de transfert de chaleur qui se produit dans les solides, où la chaleur s'écoule par contact direct entre les atomes ou les molécules. La convection est le mode de transfert de chaleur qui se produit dans les fluides (liquides ou gaz), où la chaleur s'écoule par le mouvement des particules de fluide. Le rayonnement est le mode de transfert de chaleur qui se produit par des ondes électromagnétiques, telles que la lumière ou le rayonnement infrarouge.
Dans les métaux, le transfert de chaleur se fait principalement par conduction, car les métaux sont des solides et ont de nombreux électrons libres. Les électrons libres peuvent se déplacer aléatoirement dans le métal et entrer en collision avec d'autres électrons ou atomes, transférant ainsi de l'énergie cinétique et thermique. Plus un métal a d'électrons libres, plus sa conductivité thermique est élevée.
Quels facteurs influencent la conductivité thermique des métaux?
La conductivité thermique des métaux dépend de plusieurs facteurs, tels que :
Le type et le nombre d'électrons libres : Les métaux ayant plus d'électrons libres ont une plus grande conductivité thermique, car ils peuvent transporter plus d'énergie thermique. Par exemple, l'argent a la plus grande conductivité thermique parmi les métaux, suivi du cuivre et de l'or.
La masse atomique et la taille : Les métaux ayant des atomes plus lourds et plus grands ont une conductivité thermique plus faible, car ils vibrent plus lentement et entravent le mouvement des électrons libres. Par exemple, le plomb a une faible conductivité thermique parmi les métaux.
La structure cristalline et les défauts : Les métaux ayant une structure cristalline plus régulière et compacte ont une plus grande conductivité thermique, car ils ont moins de résistance au flux d'électrons. Par exemple, les métaux ayant une structure cubique ont une plus grande conductivité thermique que les métaux ayant une structure hexagonale. Les défauts tels que les impuretés, les vacances ou les dislocations peuvent également réduire la conductivité thermique des métaux en dispersant les électrons.
La température : La conductivité thermique des métaux varie avec la température de différentes manières selon le mécanisme dominant de transfert de chaleur. Pour les métaux purs et les alliages, le transfert de chaleur est principalement dû aux électrons libres (conduction électronique). À mesure que la température augmente, le nombre d'électrons libres et les vibrations du réseau augmentent. Ainsi, la conductivité thermique des métaux diminue légèrement avec l'augmentation de la température. Pour les isolants et les semi-conducteurs, le transfert de chaleur est principalement dû aux vibrations du réseau (conduction phononique). À mesure que la température augmente, les vibrations du réseau augmentent considérablement et dispersent les électrons plus fréquemment. Ainsi, la conductivité thermique des isolants et des semi-conducteurs augmente rapidement avec l'augmentation de la température.
Qu'est-ce que la loi de Wiedemann-Franz?
La loi de Wiedemann-Franz est une relation qui connecte la conductivité électrique et la conductivité thermique des métaux à une température donnée. Elle stipule que :
σK=LT
Où,
K est la conductivité thermique en W/m-K
σ est la conductivité électrique en S/m
L est le nombre de Lorenz, qui est une constante égale à 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T est la température absolue en K
Cette loi implique que les métaux ayant une grande conductivité électrique ont également une grande conductivité thermique, car ces deux propriétés dépendent des électrons libres. Elle implique également que le rapport de la conductivité thermique à la conductivité électrique est proportionnel à la température des métaux.
Cependant, cette loi a certaines limites. Elle ne s'applique qu'aux métaux purs et aux alliages à très hautes ou très basses températures. Elle ne s'applique pas aux isolants ou aux semi-conducteurs, où la conduction phononique prédomine sur la conduction électronique. Elle ne s'applique pas non plus à certains métaux, tels que le béryllium ou l'argent pur, qui s'en écartent.
Quelles sont les valeurs de conductivité thermique de certains métaux courants?
La conductivité thermique des métaux varie largement en fonction du type et de la pureté du métal. Le tableau ci-dessous montre quelques exemples de valeurs de conductivité thermique pour certains métaux courants à température ambiante (25°C).
