Fémek hővezetési képessége: Hogyan áramlik a hő különböző anyagokon keresztül

A hővezetési képesség olyan tulajdonság, amely méri, hogy milyen jól egy anyag átadja a hőt két pont között anélkül, hogy az anyag mozogná. Ez függ az anyag szerkezetétől, összetételétől és hőmérsékletétől. Ebben a cikkben a fémek hővezetési képességéről fogunk szólni, amelyek magas elektrikus és hővezetési képességgel, valamint nagy sűrűséggel bíró szilárd testek.

Mi a fém?

A fém definíció szerint olyan szilárd anyag, amely kristályos szerkezetű, ahol az átomek rendszeres mintázatban vannak elrendezve. Az átomok magukban tartalmaznak nukleusokat, amelyek körül magas energiás elektronok találhatók, amelyek erősen kötődnek a nukleusokhoz. Néhány külsőbb elektronon kívül szabadon mozoghat a fém belsejében, alkotva így egy elektron tengeret, amely hordozhat elektromos áramot és hőenergiát.

A fémek sok hasznos tulajdonsággal rendelkeznek, például magas hajlánysággal, nyújthatósággal, ragyogással és visszaverődéssel. Jó elektromos vezetők is, ami azt jelenti, hogy hatékonyan és gyorsan átadják ezeket az energiaformákat.

Hogyan történik a hőátadás a fémekben?

A hőátadás a folyamat, amely a hőenergia áthelyezését jelenti egy magasabb hőmérsékletű régióból egy alacsonyabb hőmérsékletűbe. Három fő hőátadási mód létezik: konduktió, konvekció és radiáció.

A konduktió a hőátadási mód, ami a szilárd testekben történik, ahol a hő közvetlen érintés révén áthalad az átomok vagy molekulák között. A konvekció a hőátadási mód, ami a folyadékokban (folyadékok vagy gázok) történik, ahol a hő az anyag részecskéinek mozgásával terjed. A radiáció a hőátadási mód, ami elektromágneses hullámok, például fény vagy infravörös sugárzás révén történik.

A fémekben a hőátadás főleg konduktión keresztül történik, mivel a fémek szilárd testek, és sok szabad elektronnal rendelkeznek. A szabad elektronok véletlenszerűen mozoghatnak a fém belsejében, és ütközik más elektronokkal vagy átomokkal, átadva kinetikus és hőenergiát. Minél több szabad elektron van a fémnek, annál magasabb a hővezetési képessége.

Milyen tényezők befolyásolják a fémek hővezetési képességét?

A fémek hővezetési képessége számos tényezőtől függ, mint:

• A szabad elektronok típusa és száma: A több szabad elektronnal rendelkező fémek magasabb hővezetési képességgel rendelkeznek, mivel több hőenergiát tudnak hordozni. Például az ezüstnek a legmagasabb a hővezetési képessége a fémek között, utána a réz és az arany következik.

• Az atom tömege és mérete: A súlyosabb és nagyobb atomokkal rendelkező fémek alacsonyabb hővezetési képességgel rendelkeznek, mivel lassabban rezegnek, és gátolják a szabad elektronok mozgását. Például a ólom alacsony hővezetési képességgel rendelkezik a fémek között.

• A kristályos szerkezet és hiányosságai: A rendszeresebb és sűrűbb kristályos szerkezetű fémek magasabb hővezetési képességgel rendelkeznek, mivel kevesebb ellenállása van az elektronok áramlására. Például a kocka szerkezetű fémek magasabb hővezetési képességgel rendelkeznek, mint a hatszög szerkezetű fémek. Hiányosságok, mint impuritások, üres helyek vagy dislokációk, csökkenthetik a fémek hővezetési képességét, az elektronok szórásával.

• A hőmérséklet: A fémek hővezetési képessége a hőmérséklethez képest eltérő módon változik, attól függően, hogy melyik hőátadási mechanizmus dominál. Tiszta fémek és ötvözetek esetén a hőátadás főleg a szabad elektronok (elektronikus konduktió) miatt történik. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, a szabad elektronok és a kristályrács rezgései is növekednek. Így a fémek hővezetési képessége kissé csökken a hőmérséklet növekedésével. Izolátorok és félig vezetők esetén a hőátadás főleg a kristályrács rezgései (fononikus konduktió) miatt történik. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, a kristályrács rezgései jelentősen növekednek, és gyakrabban szórják az elektronokat. Így az izolátorok és félig vezetők hővezetési képessége jelentősen növekszik a hőmérséklet növekedésével.

Mi a Wiedemann-Franz törvény?

A Wiedemann-Franz törvény egy kapcsolatot állít fel a fémek elektrikus vezetési képessége és hővezetési képessége között adott hőmérséklet mellett. Azt állítja, hogy:

σK=LT

Ahol,

• K a hővezetési képesség W/m-K-ban

• σ az elektrikus vezetési képesség S/m-ben

• L a Lorenz-szám, ami egy konstans, ami 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2

• T az abszolút hőmérséklet K-ban

Ez a törvény azt jelenti, hogy a magas elektrikus vezetési képességű fémek magas hővezetési képességgel is rendelkeznek, mivel mindkét tulajdonság a szabad elektronoktól függ. Emellett azt is jelenti, hogy a hővezetési képesség és az elektrikus vezetési képesség aránya arányos a fémek hőmérsékletével.

Azonban ennek a törvénynél is vannak korlátai. Csak a tiszta fémekre és ötvözetekre vonatkozik nagyon magas vagy nagyon alacsony hőmérséklet mellett. Nem vonatkozik az izolátorokra vagy félig vezetőkre, ahol a fononikus konduktió dominál az elektronikus konduktión. Ezenkívül nem vonatkozik néhány fémre, mint a berillium vagy a tiszta ezüst, amelyek eltérnek eztől.

Milyen hővezetési értékekkel rendelkeznek néhány gyakori fém?

A fémek hővezetési képessége széles körben változik, attól függően, hogy milyen típusú és tiszta a fém. A táblázat alább néhány példát mutat a hővezetési értékekre néhány gyakori fém esetében szoba hőmérsékletnél (25°C).