Металлардың термиялық өткізгіштігі: Энергияның әр түрлі материалдар арқылы қалай ағып өтуі

Теплопроводность - бұл материалдың өзінің айналуы жоқ екенде, нүктеден нүктеғе қалыптастыру қабілетін өлшеу қасиеті. Бұл қасиет материалдың структурасына, композициясына және температурасына байланысты болады. Бұл мақалада біз металлардың теплопроводтығына көңдеуге болады, олар электр және теплопроводтықтың деңгейі жоғары, және тығыздығы жоғары тверд субстанциялар.

Метал не?

Метал - бұл кристаллық структурасы бар тверд материал, оның атомдары регулярды паттернде орналасқан. Атомдар қояндары мен олардың айналу электрондарымен қамтылған, олар қояндарға тәуелсіз қосылған. Бірақ, бірнеше құрлық электрондары металлдың ішінде серіп қауіпсіз қозғалады, электрондар деңгейін қалыптастырып, электр ағысын және жылу энергиясын өткізеді.

Металдар өте көптеген қолданыстағы қасиеттерге ие, мисалы, жоғары күрделілік, деформация, пластичность, блеск және рефлекция. Олар да қолайлы электр қалыптаушылар және жылу, бұл демек, олар бұл энергия формасын қалыптасқыш және тез өткізе алады.

Металдарда жылу қалыптау қалай жүзеге асады?

Жылу қалыптау - бұл жылу энергиясын жоғары температурадан төмен температурага өткізу процесі. Жылу қалыптаудың үш негізгі режимі бар: кондукция, конвекция және радиация.

Кондукция - бұл тверд теңіздерде қалыптау режимі, оның ішінде жылу атомдар немесе молекулалар арқылы туындайды. Конвекция - бұл су немесе газ (жылықтар) теңіздерінде қалыптау режимі, оның ішінде жылу су тобындарының қозғалысы арқылы туындайды. Радиация - бұл электромагниттық толқындар арқылы, мисалы, жарық немесе инфракызыл радиация арқылы қалыптау режимі.

Металдарда жылу қалыптау негізінен кондукция арқылы жүзеге асады, себебі металдар тверд теңіздер және көптеген серіп қауіпсіз электрондары бар. Серіп қауіпсіз электрондар металлдың ішінде серіп қозғалады және басқа электрондар немесе атомдармен бір-біріне тиесілі, кинетикалық энергия мен жылу энергиясын қалыптастырып отырады. Металдағы серіп қауіпсіз электрондар саны жоғары болса, оның теплопроводтығы да жоғары болады.

Металдардың теплопроводтығына қандай факторлар тәсер етеді?

Металдардың теплопроводтығы төмендегі факторларға байланысты болады:

• Серіп қауіпсіз электрондар түрі және саны: Көбірек серіп қауіпсіз электрондары бар металдар өте жылу энергиясын қалыптастыру үшін қолданылады. Мысалы, серебро металдардың ішінде ең жоғары теплопроводтықты өзінде қалады, оған келесі бұрыш және алтын.

• Атомдың массасы және өлшемі: Жуық және үлкен атомдары бар металдар өте төмен теплопроводтықты өзінде қалады, себебі олар серіп қауіпсіз электрондардың қозғалысын тормытады. Мысалы, свинец металдардың ішінде төмен теплопроводтықты өзінде қалады.

• Кристаллық структура және дефекттер: Денсау және тымырлы кристаллық структурасы бар металдар өте жоғары теплопроводтықты өзінде қалады, себебі олар электрондардың қозғалысына аз қарсылық бар. Мысалы, кубикалық структурасы бар металдар шестигран структурасы бар металдардан жылғы теплопроводтықты өзінде қалады. Дефекттер, мисалы, зияндылықтар, вакансиялар немесе дислокациялар, электрондардың қозғалысын қауыптау арқылы металдардың теплопроводтығын азайтады.

• Температура: Металдардың теплопроводтығы температураға байланысты әртүрлі әдістермен өзгереді. Таза металдар мен сплавтар үшін жылу қалыптау негізінен серіп қауіпсіз электрондар (электрондық кондукция) арқылы жүзеге асады. Температура өстікте, серіп қауіпсіз электрондар саны және решетка вибрациялары өсет. Сондықтан, металдардың теплопроводтығы температура өстікте аз қалыптасады. Изоляторлар және полупроводники үшін жылу қалыптау негізінен решетка вибрациялары (фонондық кондукция) арқылы жүзеге асады. Температура өстікте, решетка вибрациялары өте өсет және электрондарды әр түрлі қауыптау. Сондықтан, изоляторлар мен полупроводниктердің теплопроводтығы температура өстікте өте өсет.

Видеман-Франц заңы не?

Видеман-Франц заңы - бұл берілген температурада металдардың электр және теплопроводтықты байланыстыратын қатынас. Ол тұрдырады, что:

σK=LT

Мұнда,

• K - теплопроводтық W/m-K

• σ - электр проводимдік S/m

• L - Лоренц саны, бұл 2.44 x 10^-8 W-ом/K^2

• T - абсолютты температура K

Бұл заң металдардың электр проводимдігі жоғары болса, оның теплопроводтығы да жоғары болатынын, себебі екеуі де серіп қауіпсіз электрондарға байланысты. Ол да теплопроводтық мен электр проводимдік қатынасының металдардың температурасына пропорционалды екендігін тұрдырады.

Бірақ, бұл заңде біраз шектеулері бар. Ол тек таза металдар мен сплавтар үшін, өте жоғары немесе өте төмен температурада қолданылады. Ол изоляторлар немесе полупроводниктер үшін қолданылмайды, себебі оларда фонондық кондукция электрондық кондукциядан доминантты. Ол да беरиллиум немесе таза серебро сияқты бірнеше металдар үшін қолданылмайды, себебі олар бұл заңнан шығады.

Бірнеше кең таралған металдардың теплопроводтық мәндері қандай?