Термичка проводливост на метали: Како топлината протече низ различни материјали

Термалната проводливост е својство што мери колку добро материјал може да пренесе топлина од една точка до друга без да се помести самата материја. Зависи од фактори како структура, состав и температура на материјалот. Во оваа статија ќе се фокусираме на термалната проводливост на металите, кои се тврди материјали со висока електрична и термална проводливост, како и висока густина.

Што е Метал?

Металот е дефиниран како тврд материјал со кристална структура, каде што атомите се распоредени во регуларен модел. Атомите состојат од језра со нивните околни облаци на основни електрони, кои се строго поврзани со језрата. Меѓутоа, некои од најудалените електрони се слободни да се движеат по целата површина на метала, формирајќи море од електрони кои можат да носат електрична струја и топлинска енергија.

Металите имаат многу корисни својства, како висока чепкост, дуктилност, млејност, блескавост и рефлектанција. Тие се и добри проводници на електричество и топлина, што значи дека можат да пренесуваат овие форми на енергија ефикасно и брзо.

Како се Пренасува Топлината во Металите?

Преносот на топлина е процес на преместување на термална енергија од област со повисока температура до област со понисока температура. Постојат три главни начини на пренос на топлина: кондукција, конвекција и радијација.

Кондукцијата е начин на пренос на топлина кој се случува во тврди материјали, каде што топлината текне преку директен контакт меѓу атоми или молекули. Конвекцијата е начин на пренос на топлина кој се случува во течности (течки или гасови), каде што топлината текне преку движење на честички на течноста. Радијацијата е начин на пренос на топлина кој се случува преку електромагнетни бранови, како светлина или инфрацрвена радијација.

Во металите, преносот на топлина се случува главно преку кондукција, бидејќи металите се тврди материјали и имаат многу слободни електрони. Слободните електрони можат да се движеат насумично по целиот метал и да се судират со други електрони или атоми, пренесувајќи кинетичка и термална енергија. Колку повеќе слободни електрони има метал, толку повисока е неговата термална проводливост.

Што влијае на Термалната Проводливост на Металите?

Термалната проводливост на металите зависи од неколку фактори, како:

• Типот и бројот на слободни електрони: Металите со повеќе слободни електрони имаат повисока термална проводливост бидејќи можат да носат повеќе топлинска енергија. На пример, среброто има највисока термална проводливост меѓу металите, следено од мед и злато.

• Атомската маса и големина: Металите со тешки и големи атоми имаат понисока термална проводливост бидејќи се вибраат помалку брзо и препречуваат движењето на слободни електрони. На пример, свеците имаат ниска термална проводливост меѓу металите.

• Кристалната структура и дефекти: Металите со повеќе редовна и компактна кристална структура имаат повисока термална проводливост бидејќи имаат помалку отпор на протокот на електрони. На пример, металите со кубична структура имаат повисока термална проводливост од металите со хексагонална структура. Дефектите како замурници, недостатоци или дислокации исто така можат да намалат термалната проводливост на металите со разсевување на електрони.

• Температурата: Термалната проводливост на металите варира со температурата на различни начини во зависност од доминантниот механизам на пренос на топлина. За чисти металите и легури, преносот на топлина е главно поради слободни електрони (електронски кондукција). Со зголемување на температурата, како бројот на слободни електрони, така и латичните вибрации се зголемуваат. Така, термалната проводливост на металите се намалува лагано со зголемување на температурата. За изолатори и полупроводници, преносот на топлина е главно поради латични вибрации (фононска кондукција). Со зголемување на температурата, латичните вибрации се зголемуваат значително и повеќе ги разсевуваат електроните. Така, термалната проводливост на изолаторите и полупроводниците брзо се зголемува со зголемување на температурата.

Што е Законот на Видеман-Франц?

Законот на Видеман-Франц е релација што поврзува електричната проводливост и термалната проводливост на металите при дадена температура. Тој вели дека:

σK=LT

Каде,

• K е термалната проводливост во W/m-K

• σ е електричната проводливост во S/m

• L е Лоренцовиот број, кој е константа еднаква на 2.44 x 10^-8 W-ом/K^2

• T е абсолютната температура во K

Овој закон подразбира дека металите што имаат висока електрична проводливост исто така имаат висока термална проводливост, бидејќи и двата својства зависат од слободните електрони. Исто така, тој подразбира дека соодносот на термална проводливост спроти електрична проводливост е пропорционален на температурата на металите.

Меѓутоа, овој закон има некои ограничувања. Тој се применува само на чисти металите и легури при веќе високи или веќе ниски температури. Не се применува на изолатори или полупроводници, каде што фононската кондукција доминира над електронската кондукција. Исто така, не се применува на некои металите, како берилиум или чисто сребро, кои се одклонуваат од ова.

Кои се Вредностите на Термалната Проводливост за Некои Чести Метали?

Термалната проводливост на металите се менува широко во зависност од типот и чистотата на металот. Табелата подолу покажува неколку примери на вредности на термална проводливост за некои чести металите при собрена температура (25°C).