Metālu termiskā vedņība: Kā siltums plūst cauri dažādiem materiāliem
Siltība ir īpašība, kas mēra, cik labi materiāls var pārnest siltumu no viena punkta uz otru, nesākot materiālu pašu. Tā atkarīga no faktoriem, piemēram, struktūras, sastāva un temperatūras. Šajā rakstā mēs fokusēsimies uz metālu termisko siltumvedību, kuri ir cietie materiāli ar augstu elektrisku un termisko siltumvedību, un augstu blīvumu.
Kas ir metāls?
Metāls tiek definēts kā cietais materiāls, kuram ir kristāliska struktūra, kur atoms ir izvietoti regulārā modelī. Atomi sastāv no kodolu ar to apkārtējiem galveno elektronu slāņiem, kuri ir cieši saistīti ar kodoli. Tomēr, daži no ārējākajiem elektroniem ir brīvi pārvietojami caur metālu, veidojot elektronu jūru, kas var pārnēsāt elektrisku strāvu un siltuma enerģiju.
Metāliem ir daudz noderīgu īpašību, piemēram, augsta stipruma, deformējamības, lustrīgums un reflektivitāte. Tie ir arī labi elektriskie vedēji un siltuma vedēji, kas nozīmē, ka tie var efektīvi un ātri pārnēsāt šos enerģijas formas.
Kā notiek siltuma pārnese metālos?
Siltuma pārnese ir process, kas pārvada termisko enerģiju no augstākas temperatūras reģiona uz zemākas temperatūras reģionu. Ir trīs galvenas siltuma pārneses veidi: kondukcija, konvekcija un radiācija.
Kondukcija ir siltuma pārneses veids, kas notiek cietos materiālos, kad siltums plūst caur tiešu kontaktu starp atomiem vai molekulām. Konvekcija ir siltuma pārneses veids, kas notiek šķidros (šķidrumos vai gāzēs), kad siltums plūst caur šķidruma daļiņu kustību. Radiācija ir siltuma pārneses veids, kas notiek caur elektromagnētiskajām viļņiem, piemēram, gaismu vai infrasarkano radiāciju.
Metālos siltuma pārnese galvenokārt notiek ar kondukciju, jo metāli ir cietie materiāli un tos apdzīvo daudzi brīvie elektroni. Brīvie elektroni var nejauši kustēties caur metālu un sadursities ar citiem elektroniem vai atomiem, pārnosot kinētisko un termisko enerģiju. Jo vairāk brīvie elektroni metālam ir, jo augstāka tā termiskā siltumvedība.
Kādi faktori ietekmē metālu termisko siltumvedību?
Metālu termiskā siltumvedība atkarīga no vairākiem faktoriem, piemēram:
Brīvo elektronu tips un skaits: Metāli ar vairāk brīviem elektroniem ir ar augstāku termisko siltumvedību, jo tie var pārnēsāt vairāk siltuma enerģijas. Piemēram, sidrabs ir ar visaugstāko termisko siltumvedību starp metāliem, sekotājiem ir raiba un zelta.
Atoma masa un izmērs: Metāli ar smagākiem un lielākiem atomiem ir ar zemāku termisko siltumvedību, jo tie vibrē lēnāk un traucē brīvo elektronu kustībai. Piemēram, sprādzene ir ar zemu termisko siltumvedību starp metāliem.
Kristāliska struktūra un defekti: Metāli ar regulārāku un kompaktpākā kristālisko struktūru ir ar augstāku termisko siltumvedību, jo tiem ir mazāk pretestība elektronu plūsmai. Piemēram, metāli ar kubisku struktūru ir ar augstāku termisko siltumvedību nekā metāli ar heksagonālo struktūru. Defekti, piemēram, piesārņojumi, vakancijas vai dislokācijas, var arī samazināt metālu termisko siltumvedību, dažādot elektronus.
Temperatūra: Metālu termiskā siltumvedība mainās ar temperatūru dažādos veidos atkarībā no dominējošā siltuma pārneses mehānisma. Gaišiem metāliem un legumiem siltuma pārnese galvenokārt notiek ar brīvajiem elektroniem (elektroniskā kondukcija). Kad temperatūra pieaug, gan brīvo elektronu skaita, gan kristāla vibrācijas pieaug. Tādējādi, metālu termiskā siltumvedība mazliet samazinās ar temperatūras pieaugumu. Izolatoriem un poluprovadājiem siltuma pārnese galvenokārt notiek ar kristāla vibrācijām (fononiskā kondukcija). Kad temperatūra pieaug, kristāla vibrācijas pieauga būtiski un dažādo elektronus biežāk. Tādējādi, izolatoru un poluprovadāju termiskā siltumvedība strauji pieaug ar temperatūras pieaugumu.
Kas ir Viedemanns-Franza likums?
Viedemanns-Franza likums ir sakarība, kas savieno metālu elektrisko un termisko siltumvedību noteiktā temperatūrā. Tas nosaka, ka:
σK=LT
Kur,
K ir termiskā siltumvedība W/m-K
σ ir elektriskā siltumvedība S/m
L ir Lorenza numurs, kas ir konstants, vienāds ar 2.44 x 10^-8 W-om/K^2
T ir absolūtā temperatūra K
Šis likums nozīmē, ka metāli, kuriem ir augsta elektriskā siltumvedība, arī ir ar augsta termisko siltumvedību, jo abas īpašības atkarīgas no brīviem elektroniem. Tas arī nozīmē, ka termiskā siltumvedības attiecība pret elektrisko siltumvedību ir proporcionāla metālu temperatūrai.
Tomēr, šim likumam ir dažas ierobežojumi. Tas attiecas tikai uz gaišiem metāliem un legumiem ļoti augstās vai zemas temperatūras. Tas neatbilst izolatoriem vai poluprovadājiem, kur fononiskā kondukcija dominē pār elektronisko kondukciju. Tas arī neatbilst dažiem metāliem, piemēram, beriliju vai gaišu sidrabu, kuri novirzās no šī likuma.
Kādas ir dažu parastu metālu termiskās siltumvedības vērtības?
Metālu termiskā siltumvedība būtiski atšķiras atkarībā no metāla tips un čistības. Tabulā zemāk ir norādītas dažas termiskās siltumvedības vērtības parastiem metāliem pie istabas temperatūras (25°C).
