Conductividade Térmica dos Metais: Como o Calor Flui Através de Materiais Diferentes
A conductividade térmica é unha propiedade que mide o ben cun material pode transferir calor dun punto a outro sen mover o propio material. Dependé de factores como a estrutura, composición e temperatura do material. Neste artigo, centraremosnos na conductividade térmica dos metais, que son sólidos con alta conductividade eléctrica e térmica, e alta densidade.
Que é un Metal?
Un metal defínese como un material sólido que ten unha estrutura cristalina, onde os átomos están dispostos nun patrón regular. Os átomos consisten en núcleos cos seus envoltorios de electróns nucleares, que están fortemente ligados aos núcleos. No entanto, algúns dos electróns máis externos son libres para moverse por todo o metal, formando un mar de electróns que pode levar corrente eléctrica e enerxía térmica.
Os metais teñen moitas propiedades útiles, como alta resistencia, ductilidade, maleabilidade, brillo e reflectancia. Tamén son bons conductores de electricidade e calor, o que significa que poden transferir estas formas de enerxía de xeito eficiente e rápido.
Como se Transfere o Calor nos Metais?
A transferencia de calor é o proceso de movemento da enerxía térmica dende unha rexión de maior temperatura a unha rexión de menor temperatura. Hai tres modos principais de transferencia de calor: conducción, convección e radiación.
A conducción é o modo de transferencia de calor que ocorre en sólidos, onde o calor fluye a través do contacto directo entre átomos ou moléculas. A convección é o modo de transferencia de calor que ocorre en fluídos (líquidos ou gases), onde o calor fluye a través do movemento de partículas de fluído. A radiación é o modo de transferencia de calor que ocorre a través de ondas electromagnéticas, como a luz ou a radiación infravermella.
Nos metais, a transferencia de calor ocorre principalmente por conducción, xa que os metais son sólidos e teñen moitos electróns libres. Os electróns libres poden moverse aleatoriamente por todo o metal e colisionar con outros electróns ou átomos, transfirindo enerxía cinética e térmica. Cuantos máis electróns libres teña un metal, maior será a súa conductividade térmica.
Que Factores Afetan a Conductividade Térmica dos Metais?
A conductividade térmica dos metais depende de varios factores, como:
O tipo e número de electróns libres: Os metais con máis electróns libres teñen maior conductividade térmica xa que poden levar máis enerxía térmica. Por exemplo, a prata ten a maior conductividade térmica entre os metais, seguida polo cobre e o ouro.
A masa atómica e o tamaño: Os metais con átomos máis pesados e grandes teñen menor conductividade térmica xa que vibran máis lentamente e obstaculizan o movemento dos electróns libres. Por exemplo, o chumbo ten unha baixa conductividade térmica entre os metais.
A estrutura cristalina e defectos: Os metais con unha estrutura cristalina máis regular e compacta teñen maior conductividade térmica xa que teñen menos resistencia ao fluxo de electróns. Por exemplo, os metais con unha estrutura cúbica teñen maior conductividade térmica que os metais con unha estrutura hexagonal. Os defectos como impurezas, vacancias ou dislocacións tamén poden reducir a conductividade térmica dos metais ao dispersar os electróns.
A temperatura: A conductividade térmica dos metais varía coa temperatura de diferentes maneiras dependendo do mecanismo dominante de transferencia de calor. Para metais puros e aleaciones, a transferencia de calor é principalmente debido aos electróns libres (conducción electrónica). A medida que aumenta a temperatura, tanto o número de electróns libres como as vibracións da rede aumentan. Así, a conductividade térmica dos metais diminúe ligeramente con o aumento da temperatura. Para aislantes e semiconductores, a transferencia de calor é principalmente debido ás vibracións da rede (conducción fonónica). A medida que aumenta a temperatura, as vibracións da rede aumentan significativamente e dispersan os electróns con máis frecuencia. Así, a conductividade térmica dos aislantes e semiconductores aumenta rapidamente con o aumento da temperatura.
Que é a Lei de Wiedemann-Franz?
A lei de Wiedemann-Franz é unha relación que conecta a conductividade eléctrica e a conductividade térmica dos metais a unha determinada temperatura. Establece que:
σK=LT
Onde,
K é a conductividade térmica en W/m-K
σ é a conductividade eléctrica en S/m
L é o número de Lorenz, que é unha constante igual a 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T é a temperatura absoluta en K
Esta lei implica que os metais que teñen alta conductividade eléctrica tamén teñen alta conductividade térmica xa que ambas as propiedades dependen dos electróns libres. Tamén implica que a relación de conductividade térmica a conductividade eléctrica é proporcional á temperatura dos metais.
No entanto, esta lei ten algúns límites. Só se aplica a metais puros e aleacións a temperaturas moi altas ou moi bajas. Non se aplica a aislantes ou semiconductores, onde a conducción fonónica domina sobre a conducción electrónica. Tamén non se aplica a algúns metais, como o berilio ou a prata pura, que desvían desta.
Cal son os Valores de Conductividade Térmica de Algunhos Metais Comúns?
A conductividade térmica dos metais varía ampliamente dependendo do tipo e pureza do metal. A táboa a continuación mostra algunhas exemplos de valores de conductividade térmica para algunhos metais comúns a temperatura ambiente (25°C).
