Thermische geleidzaamheid van metalen: hoe warmte door verschillende materialen stroomt
Thermische geleidbaarheid is een eigenschap die meet hoe goed een materiaal warmte van één punt naar een ander kan overbrengen zonder het materiaal zelf te verplaatsen. Het hangt af van factoren zoals de structuur, samenstelling en temperatuur van het materiaal. In dit artikel zullen we ons richten op de thermische geleidbaarheid van metalen, die vaste stoffen zijn met hoge elektrische en thermische geleidbaarheid en hoge dichtheid.
Wat is een metaal?
Een metaal wordt gedefinieerd als een vast materiaal dat een kristallijne structuur heeft, waarbij de atomen in een regelmatig patroon gerangschikt zijn. De atomen bestaan uit kernen met hun omringende schillen van kern elektronen, die sterk aan de kernen gebonden zijn. Echter, sommige van de meest buitenste elektronen kunnen zich vrij door het metaal bewegen, waardoor een zee van elektronen ontstaat die elektrische stroom en warmte-energie kunnen dragen.
Metalen hebben veel nuttige eigenschappen, zoals hoge sterkte, ductiliteit, smeedbaarheid, glans en reflectiviteit. Ze zijn ook goede elektrische geleiders en warmtegeleiders, wat betekent dat ze deze vormen van energie efficiënt en snel kunnen overdragen.
Hoe vindt warmteoverdracht plaats in metalen?
Warmteoverdracht is het proces van het verplaatsen van thermische energie van een gebied met hogere temperatuur naar een gebied met lagere temperatuur. Er zijn drie hoofdmodi van warmteoverdracht: geleiding, convektie en straling.
Geleiding is de modus van warmteoverdracht die plaatsvindt in vaste stoffen, waarbij warmte via direct contact tussen atomen of moleculen stroomt. Convektie is de modus van warmteoverdracht die plaatsvindt in vloeistoffen (vloeistoffen of gassen), waarbij warmte door de beweging van vloeistofdeeltjes stroomt. Straling is de modus van warmteoverdracht die plaatsvindt via elektromagnetische golven, zoals licht of infrarode straling.
In metalen vindt warmteoverdracht voornamelijk plaats door geleiding, omdat metalen vaste stoffen zijn en veel vrije elektronen hebben. De vrije elektronen kunnen willekeurig door het metaal bewegen en botsen met andere elektronen of atomen, waardoor kinetische en thermische energie worden overgedragen. Hoe meer vrije elektronen een metaal heeft, hoe hoger zijn thermische geleidbaarheid.
Welke factoren beïnvloeden de thermische geleidbaarheid van metalen?
De thermische geleidbaarheid van metalen hangt af van verschillende factoren, zoals:
Het type en aantal vrije elektronen: Metalen met meer vrije elektronen hebben een hogere thermische geleidbaarheid omdat ze meer warmte-energie kunnen dragen. Bijvoorbeeld, zilver heeft de hoogste thermische geleidbaarheid onder de metalen, gevolgd door koper en goud.
Het atoomgewicht en -grootte: Metalen met zwaardere en grotere atomen hebben een lagere thermische geleidbaarheid omdat ze trager vibreren en de beweging van vrije elektronen hinderen. Bijvoorbeeld, lood heeft een lage thermische geleidbaarheid onder de metalen.
De kristalstructuur en defecten: Metalen met een regelmatiger en compacter kristalstructuur hebben een hogere thermische geleidbaarheid omdat ze minder weerstand hebben tegen elektronenstroom. Bijvoorbeeld, metalen met een kubische structuur hebben een hogere thermische geleidbaarheid dan metalen met een hexagonale structuur. Defecten zoals impuriteiten, vacatures of dislocaties kunnen ook de thermische geleidbaarheid van metalen verminderen door elektronen te verspreiden.
De temperatuur: De thermische geleidbaarheid van metalen varieert met de temperatuur op verschillende manieren, afhankelijk van de dominante mechanisme van warmteoverdracht. Voor zuiver metalen en legeringen vindt warmteoverdracht voornamelijk plaats door vrije elektronen (elektronische geleiding). Naarmate de temperatuur stijgt, neemt zowel het aantal vrije elektronen als de roostertrillingen toe. Daarom daalt de thermische geleidbaarheid van metalen licht met toenemende temperatuur. Voor isolatoren en halfgeleiders vindt warmteoverdracht voornamelijk plaats door roostertrillingen (fononische geleiding). Naarmate de temperatuur stijgt, nemen de roostertrillingen significant toe en verspreiden ze elektronen vaker. Daarom neemt de thermische geleidbaarheid van isolatoren en halfgeleiders snel toe met toenemende temperatuur.
Wat is de wet van Wiedemann-Franz?
De wet van Wiedemann-Franz is een relatie die de elektrische geleidbaarheid en de thermische geleidbaarheid van metalen bij een bepaalde temperatuur met elkaar verbindt. Hij stelt dat:
σK=LT
Waarbij,
K is de thermische geleidbaarheid in W/m-K
σ is de elektrische geleidbaarheid in S/m
L is het Lorenz-getal, dat een constante is gelijk aan 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T is de absolute temperatuur in K
Deze wet impliceert dat metalen die een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, ook een hoge thermische geleidbaarheid hebben, omdat beide eigenschappen afhankelijk zijn van de vrije elektronen. Het impliceert ook dat het verhoudingsgetal van thermische geleidbaarheid tot elektrische geleidbaarheid evenredig is met de temperatuur van metalen.
Echter, deze wet heeft enkele beperkingen. Het geldt alleen voor zuivere metalen en legeringen bij zeer hoge of zeer lage temperaturen. Het geldt niet voor isolatoren of halfgeleiders, waar fononische geleiding overheerst boven elektronische geleiding. Het geldt ook niet voor sommige metalen, zoals beryllium of puur zilver, die hiervan afwijken.
Wat zijn de thermische geleidbaarheidswaarden van enkele algemene metalen?
De thermische geleidbaarheid van metalen varieert sterk afhankelijk van het type en de zuiverheid van het metaal. De tabel hieronder toont enkele voorbeelden van thermische geleidbaarheidswaarden voor enkele algemene metalen bij kamertemperatuur (25°C).
