Conducibilità termica dei metalli: come il calore si propaga attraverso materiali diversi
La conduttività termica è una proprietà che misura quanto bene un materiale può trasferire calore da un punto all'altro senza muoversi. Dipende da fattori come la struttura, la composizione e la temperatura del materiale. In questo articolo, ci concentreremo sulla conduttività termica dei metalli, che sono solidi con alta conduttività elettrica e termica, nonché alta densità.
Cos'è un Metallo?
Un metallo è definito come un materiale solido che ha una struttura cristallina, in cui gli atomi sono disposti in un modello regolare. Gli atomi sono costituiti da nuclei con le loro gusci di elettroni legati strettamente ai nuclei. Tuttavia, alcuni degli elettroni più esterni sono liberi di muoversi attraverso il metallo, formando un "mare" di elettroni che possono trasportare corrente elettrica ed energia termica.
I metalli hanno molte proprietà utili, come alta resistenza, duttilità, malleabilità, lucentezza e riflettività. Sono anche buoni conduttori di elettricità e calore, il che significa che possono trasferire queste forme di energia in modo efficiente e rapido.
Come si Trasferisce il Calore nei Metalli?
Il trasferimento di calore è il processo di spostamento dell'energia termica da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Esistono tre principali modalità di trasferimento di calore: conduzione, convezione e radiazione.
La conduzione è la modalità di trasferimento di calore che si verifica nei solidi, dove il calore fluisce attraverso il contatto diretto tra atomi o molecole. La convezione è la modalità di trasferimento di calore che si verifica nei fluidi (liquidi o gas), dove il calore fluisce attraverso il movimento delle particelle del fluido. La radiazione è la modalità di trasferimento di calore che si verifica attraverso onde elettromagnetiche, come la luce o la radiazione infrarossa.
Nei metalli, il trasferimento di calore avviene principalmente per conduzione, poiché i metalli sono solidi e hanno molti elettroni liberi. Gli elettroni liberi possono muoversi casualmente attraverso il metallo e collidere con altri elettroni o atomi, trasferendo energia cinetica ed energia termica. Più elettroni liberi ha un metallo, maggiore sarà la sua conduttività termica.
Quali Fattori Influenzano la Conduttività Termica dei Metalli?
La conduttività termica dei metalli dipende da diversi fattori, come:
Il tipo e il numero di elettroni liberi: I metalli con più elettroni liberi hanno una maggiore conduttività termica poiché possono trasportare più energia termica. Ad esempio, l'argento ha la massima conduttività termica tra i metalli, seguito dal rame e dall'oro.
La massa atomica e la dimensione: I metalli con atomi più pesanti e grandi hanno una minore conduttività termica poiché vibrano più lentamente e ostacolano il movimento degli elettroni liberi. Ad esempio, il piombo ha una bassa conduttività termica tra i metalli.
La struttura cristallina e i difetti: I metalli con una struttura cristallina più regolare e compatta hanno una maggiore conduttività termica poiché hanno meno resistenza al flusso degli elettroni. Ad esempio, i metalli con una struttura cubica hanno una maggiore conduttività termica rispetto ai metalli con una struttura esagonale. I difetti come impurità, vacanze o dislocazioni possono anche ridurre la conduttività termica dei metalli diffondendo gli elettroni.
La temperatura: La conduttività termica dei metalli varia con la temperatura in modi diversi a seconda del meccanismo dominante di trasferimento di calore. Per i metalli puri e le leghe, il trasferimento di calore è principalmente dovuto agli elettroni liberi (conduzione elettronica). Man mano che la temperatura aumenta, aumentano sia il numero di elettroni liberi che le vibrazioni reticolari. Pertanto, la conduttività termica dei metalli diminuisce leggermente con l'aumento della temperatura. Per i materiali isolanti e semiconduttori, il trasferimento di calore è principalmente dovuto alle vibrazioni reticolari (conduzione fononica). Man mano che la temperatura aumenta, le vibrazioni reticolari aumentano significativamente e diffondono gli elettroni più frequentemente. Pertanto, la conduttività termica dei materiali isolanti e semiconduttori aumenta rapidamente con l'aumento della temperatura.
Cosa è la Legge di Wiedemann-Franz?
La legge di Wiedemann-Franz è una relazione che collega la conduttività elettrica e la conduttività termica dei metalli a una determinata temperatura. Stabilisce che:
σK=LT
Dove,
K è la conduttività termica in W/m-K
σ è la conduttività elettrica in S/m
L è il numero di Lorenz, che è una costante pari a 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T è la temperatura assoluta in K
Questa legge implica che i metalli che hanno alta conduttività elettrica hanno anche alta conduttività termica, poiché entrambe queste proprietà dipendono dagli elettroni liberi. Implica anche che il rapporto tra la conduttività termica e la conduttività elettrica è proporzionale alla temperatura dei metalli.
Tuttavia, questa legge ha alcune limitazioni. Si applica solo ai metalli puri e alle leghe a temperature molto alte o molto basse. Non si applica ai materiali isolanti o semiconduttori, dove la conduzione fononica prevale sulla conduzione elettronica. Non si applica neanche a alcuni metalli, come il berillio o l'argento puro, che si discostano da questa legge.
Quali sono i Valori di Conduttività Termica di Alcuni Metalli Comuni?
La conduttività termica dei metalli varia ampiamente a seconda del tipo e della purezza del metallo. La tabella sottostante mostra alcuni esempi di valori di conduttività termica per alcuni metalli comuni a temperatura ambiente (25°C).
