धातुओं का ऊष्मीय संवहन: विभिन्न पदार्थों में ऊष्मा कैसे प्रवाहित होती है

तापीय चालकता एक गुण है जो मापता है कि किसी सामग्री को खुद को नहीं बढ़ाते हुए एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ऊष्मा कैसे प्रवाहित करने में सक्षम है। यह सामग्री की संरचना, संयोजन और तापमान पर निर्भर करता है। इस लेख में, हम धातुओं की तापीय चालकता पर केंद्रित करेंगे, जो उच्च विद्युत और तापीय चालकता, और उच्च घनत्व वाली ठोस पदार्थ हैं।

धातु क्या है?

धातु को एक ठोस पदार्थ के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसमें परमाणु संरचना होती है, जहाँ परमाणु एक नियमित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। परमाणुओं में नाभिक होती है जिनके आसपास मुख्य इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो नाभिकों से जुड़े होते हैं। हालांकि, कुछ बाहरी इलेक्ट्रॉन धातु के सारे हिस्सों में स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों का समुद्र बनता है जो विद्युत धारा और ऊष्मा ऊर्जा ले जा सकता है।

धातुओं में अनेक उपयोगी गुण होते हैं, जैसे उच्च शक्ति, डक्टिलिटी, मैलेबिलिटी, चमक और प्रतिबिंब। वे विद्युत और ऊष्मा के अच्छे चालक भी होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे इन ऊर्जा के रूपों को कुशल और तेजी से स्थानांतरित कर सकते हैं।

धातुओं में ऊष्मा कैसे स्थानांतरित होती है?

ऊष्मा स्थानांतरण ऊष्मीय ऊर्जा को उच्च तापमान के क्षेत्र से कम तापमान के क्षेत्र में स्थानांतरित करने की प्रक्रिया है। ऊष्मा स्थानांतरण की तीन मुख्य तरीकें हैं: संचालन, चालन और विकिरण।

संचालन ठोसों में होने वाला ऊष्मा स्थानांतरण का तरीका है, जहाँ ऊष्मा परमाणुओं या अणुओं के बीच निकट संपर्क में प्रवाहित होती है। चालन द्रव (तरल या गैस) में होने वाला ऊष्मा स्थानांतरण का तरीका है, जहाँ ऊष्मा द्रव कणों के गतिमान होने से प्रवाहित होती है। विकिरण विद्युत चुंबकीय तरंगों, जैसे प्रकाश या इन्फ्रारेड विकिरण, के माध्यम से होने वाला ऊष्मा स्थानांतरण का तरीका है।

धातुओं में, ऊष्मा स्थानांतरण मुख्य रूप से संचालन द्वारा होता है, क्योंकि धातुओं में बहुत सारे स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन होते हैं। स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन धातु के सारे हिस्सों में यादृच्छिक रूप से घूम सकते हैं और अन्य इलेक्ट्रॉनों या परमाणुओं के साथ टकराकर गतिज ऊर्जा और तापीय ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं। जितने अधिक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन धातु में होंगे, उतनी अधिक तापीय चालकता होगी।

धातुओं की तापीय चालकता पर कौन से कारक प्रभाव डालते हैं?

धातुओं की तापीय चालकता निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करती है, जैसे:

• स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की प्रकार और संख्या: अधिक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन वाली धातुओं की उच्च तापीय चालकता होती है, क्योंकि वे अधिक ऊष्मा ऊर्जा ले जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, चांदी धातुओं में सबसे अधिक तापीय चालकता रखती है, इसके बाद तांबा और सोना आता है।

• परमाणु द्रव्यमान और आकार: भारी और बड़े परमाणु वाली धातुओं की निम्न तापीय चालकता होती है, क्योंकि वे धीमी गति से दोलन करते हैं और स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों की गति को रोकते हैं। उदाहरण के लिए, सीसे की तापीय चालकता धातुओं में कम होती है।

• क्रिस्टल संरचना और दोष: अधिक नियमित और घनी क्रिस्टल संरचना वाली धातुओं की उच्च तापीय चालकता होती है, क्योंकि उनमें इलेक्ट्रॉन फ्लो के लिए कम रोध होता है। उदाहरण के लिए, घनी संरचना वाली धातुओं की तुलना में षट्कोणीय संरचना वाली धातुओं की तापीय चालकता कम होती है। दोष, जैसे दुष्प्रमाणिक, रिक्तियाँ, या विसंगतियाँ, इलेक्ट्रॉनों को विक्षेपित करके धातुओं की तापीय चालकता को भी कम कर सकते हैं।

• तापमान: धातुओं की तापीय चालकता तापमान के साथ अलग-अलग तरीकों से बदलती है, जो ऊष्मा स्थानांतरण के प्रमुख तरीके पर निर्भर करता है। शुद्ध धातुओं और मिश्र धातुओं के लिए, ऊष्मा स्थानांतरण मुख्य रूप से स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों (इलेक्ट्रॉनिक संचालन) के कारण होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों और जालीय दोलनों की संख्या बढ़ती है। इसलिए, धातुओं की तापीय चालकता तापमान के साथ थोड़ी बढ़ती है। अपरिचालक और अर्धचालकों के लिए, ऊष्मा स्थानांतरण मुख्य रूप से जालीय दोलनों (फोनोनिक संचालन) के कारण होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, जालीय दोलन बहुत तेजी से बढ़ते हैं और इलेक्ट्रॉनों को अधिक आवृत्ति से विक्षेपित करते हैं। इसलिए, अपरिचालक और अर्धचालकों की तापीय चालकता तापमान के साथ तेजी से बढ़ती है।

विडेमन-फ्रांस का नियम क्या है?

विडेमन-फ्रांस का नियम एक संबंध है जो एक दिए गए तापमान पर धातुओं की विद्युत चालकता और तापीय चालकता को जोड़ता है। यह कहता है कि:

σK=LT

जहाँ,

• K तापीय चालकता है W/m-K में

• σ विद्युत चालकता है S/m में

• L लोरेंज संख्या, जो एक स्थिरांक है जो 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2 के बराबर है

• T निरपेक्ष तापमान है K में

यह नियम इंगित करता है कि विद्युत चालकता उच्च धातुओं की तापीय चालकता भी उच्च होती है, क्योंकि दोनों गुण स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों पर निर्भर करते हैं। यह भी इंगित करता है कि तापीय चालकता और विद्युत चालकता का अनुपात धातुओं के तापमान के समानुपाती होता है।

हालांकि, इस नियम की कुछ सीमाएं हैं। यह केवल शुद्ध धातुओं और मिश्र धातुओं पर लागू होता है, जो बहुत उच्च या बहुत कम तापमान पर होते हैं। यह अपरिचालक या अर्धचालकों पर लागू नहीं होता, जहाँ फोनोनिक संचालन इलेक्ट्रॉनिक संचालन से अधिक होता है। यह कुछ धातुओं, जैसे बेरिलियम या शुद्ध चांदी, पर भी लागू नहीं होता, जो इससे विचलित होते हैं।