धातुओं का ऊष्मीय चालकता: विभिन्न सामग्रियों में गर्मी कैसे प्रवाहित होती है
गर्मी का चालन एक गुण है जो मापता है कि किसी सामग्री कितनी अच्छी तरह से एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक गर्मी का चालन कर सकती है बिना सामग्री को खिसकाए। यह संरचना, रचना, और सामग्री का तापमान जैसे कारकों पर निर्भर करता है। इस लेख में, हम धातुओं के गर्मी के चालन पर ध्यान केंद्रित करेंगे, जो उच्च विद्युतीय और गर्मी के चालन, और उच्च घनत्व वाले ठोस पदार्थ हैं।
धातु क्या है?
धातु को एक ठोस पदार्थ के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें एक क्रिस्टलीय संरचना होती है, जहाँ परमाणु नियमित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। परमाणुओं में न्यूक्लियस और उनके चारों ओर कोर इलेक्ट्रॉनों के शेल होते हैं, जो न्यूक्लियस के साथ घनिष्ठ रूप से बंधे होते हैं। हालाँकि, कुछ बाहरी इलेक्ट्रॉन धातु के सारे हिस्सों में स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों का सागर बनता है जो विद्युत धारा और ऊष्मा ऊर्जा ले जा सकता है।
धातुओं में कई उपयोगी गुण होते हैं, जैसे उच्च ताकत, डक्टिलिटी, मैलियबिलिटी, चमक, और प्रतिबिंबन। वे भी उच्च गुणवत्ता वाले विद्युत चालक और गर्मी के चालक होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे इन ऊर्जा के रूपों को कुशल और तेजी से चला सकते हैं।
धातुओं में गर्मी का चालन कैसे होता है?
गर्मी का चालन ऊष्मीय ऊर्जा को उच्च तापमान के क्षेत्र से निम्न तापमान के क्षेत्र में चलाने की प्रक्रिया है। गर्मी के चालन के तीन मुख्य तरीके हैं: चालन, संचालन, और विकिरण।
चालन ठोसों में होने वाला गर्मी का चालन होता है, जहाँ गर्मी परमाणुओं या अणुओं के बीच निर्देशित संपर्क में फ़्लो होती है। संचालन द्रव (तरल या गैस) में होने वाला गर्मी का चालन होता है, जहाँ गर्मी द्रव के कणों के आंदोलन से फ़्लो होती है। विकिरण गर्मी का चालन होता है जो विद्युत चुंबकीय तरंगों, जैसे प्रकाश या इन्फ्रारेड विकिरण, के माध्यम से होता है।
धातुओं में, गर्मी का चालन मुख्य रूप से चालन द्वारा होता है, क्योंकि धातुएँ ठोस होती हैं और बहुत से स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन होते हैं। स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन धातु के सारे हिस्सों में यादृच्छिक रूप से चल सकते हैं और अन्य इलेक्ट्रॉन या परमाणुओं के साथ टकराकर गतिज ऊर्जा और ऊष्मीय ऊर्जा का चालन कर सकते हैं। जितने अधिक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन धातु में होंगे, उतना अधिक उसकी गर्मी का चालन क्षमता होगी।
धातुओं के गर्मी के चालन पर कौन से कारक प्रभाव डालते हैं?
धातुओं के गर्मी के चालन पर कई कारकों पर निर्भर करता है, जैसे:
स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों का प्रकार और संख्या: अधिक स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों वाली धातुओं में उच्च गर्मी का चालन क्षमता होती है क्योंकि वे अधिक ऊष्मीय ऊर्जा ले जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, चांदी धातुओं में सबसे उच्च गर्मी का चालन क्षमता रखती है, उसके बाद तांबा और सोना आता है।
परमाणु द्रव्यमान और आकार: भारी और बड़े परमाणु वाली धातुओं में निम्न गर्मी का चालन क्षमता होती है क्योंकि वे धीमी गति से दोलन करते हैं और स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों के आंदोलन को रोकते हैं। उदाहरण के लिए, सीसा धातुओं में निम्न गर्मी का चालन क्षमता रखता है।
क्रिस्टल संरचना और दोष: अधिक नियमित और घनी क्रिस्टल संरचना वाली धातुओं में उच्च गर्मी का चालन क्षमता होती है क्योंकि वे इलेक्ट्रॉन फ़्लो के लिए कम प्रतिरोध रखती हैं। उदाहरण के लिए, घनी संरचना वाली धातुओं की तुलना में षट्कोणीय संरचना वाली धातुओं की गर्मी का चालन क्षमता अधिक होती है। दोष जैसे अशुद्धताएँ, रिक्तियाँ, या विस्थापन इलेक्ट्रॉनों को वितरित करके धातुओं की गर्मी का चालन क्षमता को भी कम कर सकते हैं।
तापमान: धातुओं के गर्मी का चालन तापमान के साथ अलग-अलग तरीकों से बदलता है, जो गर्मी के चालन के प्रमुख तरीके पर निर्भर करता है। शुद्ध धातुओं और मिश्र धातुओं के लिए, गर्मी का चालन मुख्य रूप से स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों (इलेक्ट्रॉनिक चालन) के कारण होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों और ग्रेटिस विक्षोभ दोनों बढ़ते हैं। इसलिए, धातुओं का गर्मी का चालन तापमान के बढ़ने के साथ थोड़ा-थोड़ा कम होता जाता है। अवरोधक और अर्धचालकों के लिए, गर्मी का चालन मुख्य रूप से ग्रेटिस विक्षोभ (फोनोनिक चालन) के कारण होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ग्रेटिस विक्षोभ बहुत तेजी से बढ़ता है और इलेक्ट्रॉनों को अधिक आवृत्ति से वितरित करता है। इसलिए, अवरोधक और अर्धचालकों का गर्मी का चालन तापमान के बढ़ने के साथ तेजी से बढ़ता जाता है।
विडेमन-फ्रांस का नियम क्या है?
विडेमन-फ्रांस का नियम एक संबंध है जो दिए गए तापमान पर धातुओं के विद्युत चालन और गर्मी के चालन के बीच संबंध बनाता है। यह कहता है कि:
σK=LT
जहाँ,
K गर्मी का चालन है W/m-K में
σ विद्युत चालन है S/m में
