הניצולות התרמית של מתכות: איך חום זורם דרך חומרים שונים
הנשיאה החום היא תכונה המדידה עד כמה חומר יכול להעביר חום מנקודה אחת לאחרת מבלי להזיז את החומר עצמו. היא תלויה בגורמים כגון המבנה, ההרכב והטמפרטורה של החומר. בערך זה נמקד בנשיאה החום של מתכות, שהם גופים קשיחים בעלי נשיאה חשמלית וחום גבוהה, ודפנות גבוהה.הנשיאה החום של מתכות, שהן גופים קשיחים בעלי נשיאה חשמלית וחום גבוהה, ודפנות גבוהה.
מהי מתכת?
מתכת מוגדרת כחומר מוצק שיש לו מבנה גבישי, בו האטומים מסודרים בדפוס סדיר. האטומים מורכבים מנוקלאוס עם שורות של אלקטרונים מרכזיים, שמוחזקים חזק לנוקלאוס. עם זאת, חלק מהאלקטרונים החיצוניים ביותר חופשיים לנוע ברחבי המתכת, ויוצרים ים של אלקטרונים שיכול לשאת זרם חשמלי ואנרגיה חוממלית.
למתכות ישנן תכונות שימושיות רבות, כגון חוזק גבוה, פלסיביליות, מלבינות, זוהר ורפלקטיביות. הן גם טובות כש-משאים חשמליים וחום, מה שאומר שהן יכולות להעביר את צורות האנרגיה האלו בצורה יעילה ומגבהה.
איך מועבר חום במתכות?
העברת חום היא התהליך של העברת אנרגיה תרמית מאזור שבו הטמפרטורה גבוהה לאזור שבו הטמפרטורה נמוכה. ישנם שלושה אופנים עיקריים להעברת חום: מוליכות, הקזה וקרינה.
מוליכות היא אופן ההעברה של חום שמתרחש בגופים קשיחים, כאשר החום זורם דרך מגע ישיר בין אטומים או מולקולות. הקזה היא אופן ההעברה של חום שמתרחש בחומרים נוזלים (נוזלים או גזים), כאשר החום זורם דרך תנועת חלקיקים של הנוזל. קרינה היא אופן ההעברה של חום שמתרחש דרך גלי אלקטרומגנטיים, כגון אור או קרינה תרמית.
במתכות, העברת חום מתרחשת בעיקר על ידי מוליכות, מכיוון שמתכות הן גופים קשיחים ויש להם הרבה אלקטרונים חופשיים. האלקטרונים החופשיים יכולים להתנדנד באופן רנדומלי ברחבי המתכת ולהתנגש עם אלקטרונים או אטומים אחרים, מעבירים אנרגיה קינטית ואנרגיה תרמית. ככל שיש יותר אלקטרונים חופשיים במתכת, כך הנשיאה החום שלה גבוהה יותר.
איזה גורמים משפיעים על הנשיאה החום של מתכות?
הנשיאה החום של מתכות תלויה בכמה גורמים, כגון:
הסוג והכמות של אלקטרונים חופשיים: מתכות שיש בהן יותר אלקטרונים חופשיים יש להן נשיאה חום גבוהה יותר מכיוון שהן יכולות לשאת יותר אנרגיה חוממלית. למשל, כסף הוא בעל הנשיאה החום הגבוהה ביותר מבין המתכות, אחריו נחושת וזהב.
המסה האטומית והגודל: מתכות שיש להן אטומים כבדים וגבוהים יש להן נשיאה חום נמוכה יותר מכיוון שהן מתנדנדות באיטיות יותר ומפריעות לתנועת אלקטרונים חופשיים. למשל, עופרת יש לה נשיאה חום נמוכה בין המתכות.
המבנה הגבישי והפגמים: מתכות שיש להן מבנה גבישי סדיר וקומפקטי יש להן נשיאה חום גבוהה יותר מכיוון שיש להן פחות התנגדות לתנועת אלקטרונים. למשל, מתכות שיש להן מבנה קובייתי יש להן נשיאה חום גבוהה יותר מאשר מתכות שיש להן מבנה משושה. פגמים כגון זיהומים, פערים או מקלעים יכולים גם הם להפחית את הנשיאה החום של המתכות על ידי הפצה של אלקטרונים.
הטמפרטורה: הנשיאה החום של המתכות משתנה עם הטמפרטורה בשיטות שונות בהתאם למכניזם הדומיננטי של העברת חום. עבור מתכות טהורות וצורות, העברת חום היא בעיקר בשל אלקטרונים חופשיים (מוליכות אלקטרונית). ככל שהטמפרטורה עולה, גם מספר האלקטרונים החופשיים וגם הרעידות הגבישיות עולות. לכן, הנשיאה החום של המתכות יורדת מעט עם עלייה בטמפרטורה. עבור מבודדים וhalb-conductors, העברת חום היא בעיקר בשל רעידות גבישיות (phononic conduction). ככל שהטמפרטורה עולה, הרעידות הגבישיות עולות משמעותית ומפזרות אלקטרונים בתדירות גבוהה יותר. לכן, הנשיאה החום של מבודדים וhalb-conductors עולה במהירות עם עלייה בטמפרטורה.
מהו חוק וידמן-פרנץ?
חוק וידמן-פרנץ הוא קשר המחבר בין הנשיאה החשמלית והנשיאה החום של מתכות בטמפרטורה נתונה. הוא קובע כי:
σK=LT
כאשר,
K היא הנשיאה החום בW/m-K
σ היא הנשיאה החשמלית בS/m
L הוא מספר לורנץ, שהוא קבוע השווה ל-2.44 x 10^-8 W-אוהם/K^2
T היא הטמפרטורה המוחלטת בK
חוק זה מרמז כי מתכות שיש להן נשיאה חשמלית גבוהה גם יש להן נשיאה חום גבוהה מכיוון שתכונות אלה תלויות באלקטרונים חופשיים. הוא גם מרמז כי היחס בין הנשיאה החום לנשיאה החשמלית פרופורציונלי לטמפרטורה של המתכות.
עם זאת, לחוק זה יש מגבלות מסוימות. הוא חל רק על מתכות טהורות וצורות בטמפרטורות מאוד גבוהות או מאוד נמוכות. הוא אינו חל על מבודדים או חצי-conductors, בהם ההעברה הפונונית דומיננטית על ההעברה האלקטרונית. הוא גם אינו חל על כמה מתכות, כגון בריליום או כסף טהור, אשר מתנתקים מהחוק הזה.
מה הם ערכי הנשיאה החום של כמה מתכות נפוצות?
הנשיאה החום של מתכות משתנה מאוד בהתאם לסוג וטהרתה של המתכת. הטבלה שלהלן מציגה כמה דוגמאות לערכי נשיאה חום עבור כמה מתכות נפוצות בטמפרטורת החדר (25°C).
