Vodljivost toplote metala: Kako toplina protječe kroz različite materijale
Toplinska provodljivost je svojstvo koje mjeri kako dobro materijal može prenijeti toplinu s jedne točke na drugu bez pomicanja samog materijala. Ovisi o faktorima poput strukture, sastava i temperature materijala. U ovom članku fokusirat ćemo se na toplinsku provodljivost metala, koji su čvrsti tijela s visokom električnom i toplinskom provodljivošću te visokom gustoćom.
Što je metal?
Metal se definira kao čvrsto tijelo koje ima kristalnu strukturu, gdje su atomi raspoređeni u regularan uzorak. Atomi sastoje se od nukleusa s njihovim okružujućim ljuskanicama osnovnih elektrona, koji su jako vezani za nukleuse. Međutim, neki od najvanjih elektrona su slobodni da se kreću kroz metal, formirajući morje elektrona koje mogu nositi električni tok i toplinsku energiju.
Metali imaju mnogo korisnih svojstava, poput visoke čvrstoće, prodirnosti, vlačivosti, sjaja i reflektivnosti. Također su dobri provodnici elektriciteta i topline, što znači da mogu učinkovito i brzo prenositi te oblike energije.
Kako se toplina prenosi u metlima?
Prenos topline je proces prenošenja toplinske energije iz regije s višom temperaturom u regiju s nižom temperaturom. Postoje tri glavna načina prenosa topline: provodnost, konvekcija i radijacija.
Provodnost je način prenosa topline koji se događa u čvrstim tijelima, gdje toplina protječe direktnim kontaktom između atoma ili molekula. Konvekcija je način prenosa topline koji se događa u fluidima (tekućinama ili plinovima), gdje toplina protječe kretanjem fluidnih čestica. Radijacija je način prenosa topline koji se događa putem elektromagnetskih valova, poput svjetlosti ili infracrvene radijacije.
U metlima, prenos topline uglavnom se događa provodnošću, jer su metali čvrsta tijela s mnogo slobodnih elektrona. Slobodni elektroni mogu nasumično kretati kroz metal i sudarati se s drugim elektronima ili atomima, prenoseći kinetičku i toplinsku energiju. Što više slobodnih elektrona ima metal, to je veća njegova toplinska provodljivost.
Koji faktori utječu na toplinsku provodljivost metala?
Toplinska provodljivost metala ovisi o nekoliko faktora, poput:
Vrsta i broj slobodnih elektrona: Metali s više slobodnih elektrona imaju veću toplinsku provodljivost jer mogu nositi više toplinske energije. Na primjer, srebro ima najveću toplinsku provodljivost među metlima, zatim bakar i zlato.
Atomička masa i veličina: Metali s težim i većim atomima imaju nižu toplinsku provodljivost jer vibriraju sporije i sprečavaju kretanje slobodnih elektrona. Na primjer, olovo ima nisku toplinsku provodljivost među metlima.
Kristalna struktura i defekti: Metali s više regularnom i kompaktnom kristalnom strukturom imaju veću toplinsku provodljivost jer imaju manje otpornosti na protok elektrona. Na primjer, metali s kubičnom strukturom imaju veću toplinsku provodljivost od metala s heksagonalnom strukturom. Defekti poput impuriteta, vakancija ili dislokacija također mogu smanjiti toplinsku provodljivost metala rasipanjem elektrona.
Temperatura: Toplinska provodljivost metala varira s temperaturom na različite načine, ovisno o dominantnom mehanizmu prenosa topline. Za čiste metale i legure, prenos topline je uglavnom posljedica slobodnih elektrona (elektronička provodnost). Kako temperatura raste, rastu i broj slobodnih elektrona i mrežne vibracije. Stoga, toplinska provodljivost metala malo pada s porastom temperature. Za dielektrike i poluprovodnike, prenos topline je uglavnom posljedica mrežnih vibracija (fononska provodnost). Kako temperatura raste, mrežne vibracije značajno porastu i češće rasipa elektrone. Stoga, toplinska provodljivost dielektrika i poluprovodnika brzo raste s porastom temperature.
Što je Wiedemann-Franzov zakon?
Wiedemann-Franzov zakon je relacija koja povezuje električnu provodljivost i toplinsku provodljivost metala na zadanoj temperaturi. Kaže da vrijedi:
σK=LT
Gdje je,
K toplinska provodljivost u W/m-K
σ električna provodljivost u S/m
L Lorenzov broj, koji je konstanta jednaka 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T apsolutna temperatura u K
Ovaj zakon implicira da metali s visokom električnom provodljivošću također imaju visoku toplinsku provodljivost, jer ova dva svojstva ovisila o slobodnim elektronima. Implicira i da je omjer toplinske provodljivosti i električne provodljivosti proporcionalan temperaturi metala.
Međutim, ovaj zakon ima neke ograničenja. Primjenjuje se samo na čiste metale i legure pri vrlo visokim ili vrlo niskim temperaturama. Ne primjenjuje se na dielektrike ili poluprovodnike, gdje dominira fononska provodnost nad elektroničkom provodnošću. Također ne primjenjuje se na neke metale, poput berilija ili čistog srebra, koji se odstupaju od ovog zakona.
Kolike su vrijednosti toplinske provodljivosti nekih uobičajenih metala?
Toplinska provodljivost metala značajno varira ovisno o vrsti i čistoći metala. Tablica ispod pokazuje nekoliko primjera vrijednosti toplinske provodljivosti za neke uobičajene metale na sobnoj temperaturi (25°C).
