Kekal Conductiviti Panas Logam: Bagaimana Haba Mengalir Melalui Bahan yang Berbeza
Kekonduksian haba adalah sifat yang mengukur seberapa baik bahan boleh memindahkan haba dari satu titik ke titik lain tanpa memindahkan bahan itu sendiri. Ia bergantung pada faktor seperti struktur, komposisi, dan suhu bahan. Dalam artikel ini, kami akan fokus pada kekonduksian haba logam, yang merupakan pepejal dengan kekonduksian elektrik dan haba yang tinggi, serta ketumpatan yang tinggi.
Apakah Logam?
Logam didefinisikan sebagai bahan pepejal yang mempunyai struktur ber Kristal, di mana atom disusun dalam corak beraturan. Atom-atom terdiri daripada nukleus dengan selubung elektron inti mereka, yang erat terikat pada nukleus. Walau bagaimanapun, beberapa elektron paling luar bebas untuk bergerak merentasi logam, membentuk lautan elektron yang boleh membawa arus elektrik dan tenaga haba.
Logam mempunyai banyak sifat yang berguna, seperti kekuatan yang tinggi, kelenturan, mudah dibentuk, kilat, dan kereflektifan. Mereka juga adalah konduktor yang baik untuk elektrik dan haba, yang bermaksud mereka boleh memindahkan bentuk-bentuk tenaga dengan cepat dan efisien.
Bagaimana Haba Dipindahkan dalam Logam?
Pemindahan haba adalah proses memindahkan tenaga haba dari kawasan suhu yang lebih tinggi ke kawasan suhu yang lebih rendah. Terdapat tiga mod utama pemindahan haba: konduksi, konveksi, dan radiasi.
Konduksi adalah mod pemindahan haba yang berlaku dalam pepejal, di mana haba mengalir melalui hubungan langsung antara atom atau molekul. Konveksi adalah mod pemindahan haba yang berlaku dalam bendalir (cairan atau gas), di mana haba mengalir melalui pergerakan partikel bendalir. Radiasi adalah mod pemindahan haba yang berlaku melalui gelombang elektromagnet, seperti cahaya atau radiasi inframerah.
Dalam logam, pemindahan haba kebanyakannya berlaku melalui konduksi, kerana logam adalah pepejal dan mempunyai banyak elektron bebas. Elektron bebas tersebut boleh bergerak secara rawak merentasi logam dan bertumbukan dengan elektron atau atom lain, memindahkan tenaga kinetik dan tenaga haba. Semakin banyak elektron bebas yang dimiliki oleh logam, semakin tinggi kekonduksian habanya.
Faktor Apa yang Mempengaruhi Kekonduksian Haba Logam?
Kekonduksian haba logam bergantung pada beberapa faktor, seperti:
Jenis dan bilangan elektron bebas: Logam dengan lebih banyak elektron bebas mempunyai kekonduksian haba yang lebih tinggi kerana mereka boleh membawa lebih banyak tenaga haba. Sebagai contoh, perak mempunyai kekonduksian haba tertinggi di kalangan logam, diikuti oleh tembaga dan emas.
Jisim atomik dan saiz: Logam dengan atom yang lebih berat dan lebih besar mempunyai kekonduksian haba yang lebih rendah kerana mereka bergetar lebih perlahan dan menghalang pergerakan elektron bebas. Sebagai contoh, plumbum mempunyai kekonduksian haba yang rendah di kalangan logam.
Struktur kristal dan cacat: Logam dengan struktur kristal yang lebih beraturan dan padat mempunyai kekonduksian haba yang lebih tinggi kerana mereka mempunyai lebih sedikit perintangan kepada aliran elektron. Sebagai contoh, logam dengan struktur kubik mempunyai kekonduksian haba yang lebih tinggi daripada logam dengan struktur heksagonal. Cacat seperti impurities, vacancies, atau dislokasi juga boleh mengurangkan kekonduksian haba logam dengan menyebabkan elektron tersebar.
Suhu: Kekonduksian haba logam berubah dengan suhu dengan cara yang berbeza bergantung pada mekanisme dominan pemindahan haba. Untuk logam murni dan aloi, pemindahan haba kebanyakannya disebabkan oleh elektron bebas (konduksi elektronik). Apabila suhu meningkat, kedua-dua bilangan elektron bebas dan getaran rangka meningkat. Oleh itu, kekonduksian haba logam menurun sedikit dengan peningkatan suhu. Untuk isolator dan semikonduktor, pemindahan haba kebanyakannya disebabkan oleh getaran rangka (konduksi fononik). Apabila suhu meningkat, getaran rangka meningkat secara signifikan dan menyebabkan elektron tersebar lebih kerap. Oleh itu, kekonduksian haba isolator dan semikonduktor meningkat dengan cepat dengan peningkatan suhu.
Apakah Hukum Wiedemann-Franz?
Hukum Wiedemann-Franz adalah hubungan yang menghubungkan kekonduksian elektrik dan kekonduksian haba logam pada suhu tertentu. Ia menyatakan bahawa:
σK=LT
Di mana,
K adalah kekonduksian haba dalam W/m-K
σ adalah kekonduksian elektrik dalam S/m
L adalah nombor Lorenz, yang merupakan pemalar sama dengan 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T adalah suhu mutlak dalam K
Hukum ini menunjukkan bahawa logam yang mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi juga mempunyai kekonduksian haba yang tinggi kerana kedua-dua sifat tersebut bergantung pada elektron bebas. Ia juga menunjukkan bahawa nisbah kekonduksian haba kepada kekonduksian elektrik adalah berkadar dengan suhu logam.
Walau bagaimanapun, hukum ini mempunyai beberapa had. Ia hanya berlaku untuk logam murni dan aloi pada suhu yang sangat tinggi atau sangat rendah. Ia tidak berlaku untuk isolator atau semikonduktor, di mana konduksi fononik mendominasi konduksi elektronik. Ia juga tidak berlaku untuk beberapa logam, seperti berilium atau perak murni, yang menyimpang daripada ini.
Apakah Nilai Kekonduksian Haba Beberapa Logam Biasa?
Kekonduksian haba logam berbeza luas bergantung pada jenis dan kebersihan logam. Jadual di bawah menunjukkan beberapa contoh nilai kekonduksian haba untuk beberapa logam biasa pada suhu bilik (25°C).
