მეტალურგიული მასალების თერმოკონდუქცია: თუ როგორ ავსება თეპლო სხვადასხვა მასალებში

თერმიული წარმოდგენილობა არის თვისება, რომელიც ზომავს მას, რამდენად კარგად შეიძლება მასალაში თერმიული ენერგიის გადატარება ერთი წერტილიდან მეორეზე გარეშე მასალის ფიზიკური მოძრაობის გარეშე. ეს დამოკიდებულია ფაქტორებზე, როგორიცაა მასალის სტრუქტურა, შემადგენლობა და ტემპერატურა. ამ სტატიაში ჩვენ დავაკვირდებით მეტალების თერმიულ წარმოდგენილობაზე, რომლებიც არიან სხეულები მაღალი ელექტრონული და თერმიული წარმოდგენილობით და მაღალი სიმკვრივით.

რით არის მეტალი?

მეტალი განისაზღვრება როგორც სხეული, რომელიც არის კრისტალური სტრუქტურის მქონე და რომელშიც ატომები არიან ნებისმიერი მონაცემების რეგულარული თანმიმდევრობით დალაგებული. ატომები შედგებიან ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბ......

მეტალები განისაზღვრება როგორც სხეულები, რომლებშიც ატომები არიან კრისტალური სტრუქტურით დალაგებული. ატომები შედგებიან ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბუნების ბ......

როგორ ხდება თერმიული ენერგიის ტრანსფერი მეტალებში?

თერმიული ტრანსფერი არის პროცესი, რომელიც მოიცავს თერმიული ენერგიის გადატარებას უფრო მაღალი ტემპერატურის რეგიონიდან უფრო დაბალი ტემპერატურის რეგიონში. არსებობს სამი ძირითადი თერმიული ტრანსფერის რეჟიმი: კონდუქცია, კონვექცია და რადიაცია.

კონდუქცია არის თერმიული ტრანსფერის რეჟიმი, რომელიც ხდება სხეულებში, სადაც თერმიული ენერგია გადის დირექტული კონტაქტის მეშვეობით ატომებს ან მოლეკულებს შორის. კონვექცია არის თერმიული ტრანსფერის რეჟიმი, რომელიც ხდება სითხეებში ან აირებში, სადაც თერმიული ენერგია გადის ფლუიდის წერტილების მოძრაობით. რადიაცია არის თერმიული ტრანსფერის რეჟიმი, რომელიც ხდება ელექტრომაგნიტური ტალღების მეშვეობით, როგორიცაა სინათლე ან ინფრაწითი რადიაცია.

მეტალებში თერმიული ტრანსფერი ძირითადად ხდება კონდუქციის მეშვეობით, რადგან მეტალები არიან სხეულები და არიან მაღალი თერმიული წარმოდგენილობით. თავისუფალი ელექტრონები შეიძლება შემთხვევით მოძრაობდეს მეტალში და დაჯახდეს სხვა ელექტრონებთან ან ატომებთან, გადატარებით კინეტიკურ და თერმიულ ენერგიას. რაც უფრო მეტი თავისუფალი ელექტრონი არის მეტალში, მით უფრო მაღალი არის მისი თერმიული წარმოდგენილობა.

რა ფაქტორები ახასიათებენ მეტალების თერმიულ წარმოდგენილობას?

მეტალების თერმიული წარმოდგენილობა დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე, როგორიცაა:

• თავისუფალი ელექტრონების ტიპი და რაოდენობა: მეტალები, რომლებსაც უფრო მეტი თავისუფალი ელექტრონი აქვთ, არიან უფრო თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, რადგან შეიძლება გადაიტარონ უფრო მეტი თერმიული ენერგია. მაგალითად, ვერცხლი არის ყველა მეტალში უმაღლესი თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, შემდეგ კოპერი და ნაპრი.

• ატომური მასა და ზომა: მეტალები, რომლებსაც უფრო მძიმე და უფრო დიდი ატომები აქვთ, არიან უფრო დაბალი თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, რადგან უფრო დაბრუნებული ვიბრირებენ და შეიძლება დაბრუნებული იყვნენ თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობას. მაგალითად, სპილენძი არის დაბალი თერმიული წარმოდგენილობის მქონე მეტალებში.

• კრისტალური სტრუქტურა და დეფექტები: მეტალები, რომლებსაც უფრო რეგულარული და კომპაქტური კრისტალური სტრუქტურა აქვთ, არიან უფრო თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, რადგან უფრო ნაკლები არის თავისუფალი ელექტრონების გადატარების წინააღმდეგობა. მაგალითად, კუბური სტრუქტურის მქონე მეტალები არიან უფრო თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, ვიდრე ჰექსაგონური სტრუქტურის მქონე. დეფექტები, როგორიცაა დაბრუნებული, ვაკანტები ან დისლოკაციები, შეიძლება შემცირონ მეტალების თერმიულ წარმოდგენილობას ელექტრონების გადატარების შეფერხებით.

• ტემპერატურა: მეტალების თერმიული წარმოდგენილობა ცვლილებას იტაცებს ტემპერატურის მიხედვით სხვადასხვა გზით, რით დამოკიდებულია თერმიული ტრანსფერის ძირითადი მექანიზმი. ურთიერთი მეტალებისა და ალუმინიუმის შემთხვევაში, თერმიული ტრანსფერი ძირითადად ხდება თავისუფალი ელექტრონების მეშვეობით (ელექტრონული კონდუქცია). რაც უფრო მაღალი ტემპერატურა იქნება, უფრო მეტი თავისუფალი ელექტრონი და ქსელური ვიბრაციები იქნება. ამიტომ, მეტალების თერმიული წარმოდგენილობა ცოტა დაიკლებს ტემპერატურის ზრდასთან ერთად. იზოლატორებისა და ნახევროდ მიმდევრების შემთხვევაში, თერმიული ტრანსფერი ძირითადად ხდება ქსელური ვიბრაციების მეშვეობით (ფონონური კონდუქცია). რაც უფრო მაღალი ტემპერატურა იქნება, უფრო მეტი ქსელური ვიბრაციები იქნება და უფრო ხშირად დაჯახდებიან ელექტრონებს. ამიტომ, იზოლატორებისა და ნახევროდ მიმდევრების თერმიული წარმოდგენილობა სწრაფად იზრდება ტემპერატურის ზრდასთან ერთად.

რით არის ვიდემან-ფრანცის კანონი?

ვიდემან-ფრანცის კანონი არის ურთიერთდამოკიდებულება, რომელიც კავშირს აკავშირებს მეტალების ელექტრონულ და თერმიულ წარმოდგენილობას მოცემულ ტემპერატურაზე. ის ამბობს, რომ:

σK=LT

სადაც,

• K არის თერმიული წარმოდგენილობა W/m-K ერთეულებში

• σ არის ელექტრონული წარმოდგენილობა S/m ერთეულებში

• L არის ლორენცის რიცხვი, რომელიც არის მუდმივა და უდრის 2.44 x 10^-8 W-ოჰმი/K^2

• T არის აბსოლუტური ტემპერატურა K ერთეულებში

ეს კანონი ნიშნავს, რომ მეტალები, რომლებიც არიან მაღალი ელექტრონული წარმოდგენილობის მქონე, ასევე არიან მაღალი თერმიული წარმოდგენილობის მქონე, რადგან დარჩენილი თვისებები დამოკიდებულია თავისუფალი ელექტრონებზე. ეს ასევე ნიშნავს, რომ თერმიული წარმოდგენილობის და ელექტრონული წარმოდგენილობის რაოდენობის შეფარდება არის პროპორციული მეტალების ტემპერატურას.

თუმცა, ეს კანონი არ იქნება სრულყოფილი ყველა შემთხვევაში. ის მხოლოდ გამოიყენება ურთიერთი მეტალებისა და ალუმინიუმის შემთხვევაში ძალიან მაღალი ან ძალიან დაბალი ტემპერატურების შემთხვევაში. ის არ იქნება გამოიყენება იზოლატორებისა და ნახევროდ მიმდევრების შემთხვევაში, სადაც ფონონური კონდუქცია დომინირებს ელექტრონულ კონდუქციაზე. ის ასევე არ იქნება გამოიყენება ზოგიერთ მეტალზე, როგორიცაა ბერილიუმი ან სუფთა ვერცხლი, რომლებიც არ ემთხვევიან ამ კანონს.

რა არის ზოგიერთი სამყარო მეტალის თერმიული წარმოდგენილობის მნიშვნელობები?