Termisk ledningsevne av metaller: Hvordan varme strømmer gjennom ulike materialer
Termisk ledningsevne er en egenskap som måler hvor godt et materiale kan overføre varme fra et punkt til et annet uten å bevege selve materialet. Den avhenger av faktorer som strukturen, sammensetningen og temperaturen på materialet. I denne artikkelen vil vi fokusere på termisk ledningsevne for metaller, som er faste stoffer med høy elektrisk og termisk ledningsevne, samt høy tetthet.
Hva er et metall?
Et metall defineres som et fast materiale som har en krysallin struktur, der atomer er ordnet i et regelmessig mønster. Atomene består av kjerner med sine omringende skaller av kjernaelektroner, som er tett knyttet til kjernene. Imidlertid er noen av de ytterste elektronene frie til å bevege seg gjennom metall, danner en hav av elektroner som kan bære elektrisk strøm og varmeanergi.
Metaller har mange nyttige egenskaper, som høy styrke, duktilitet, malabarhet, glans og refleksjonsevne. De er også gode ledere av elektrisitet og varme, noe som betyr at de kan overføre disse formene for energi effektivt og raskt.
Hvordan overføres varme i metaller?
Varmeoverføring er prosessen med å flytte termisk energi fra et område med høyere temperatur til et område med lavere temperatur. Det finnes tre hovedformer for varmeoverføring: konduksjon, konveksjon og stråling.
Konduksjon er formen for varmeoverføring som forekommer i faste stoffer, der varme flyter gjennom direkte kontakt mellom atomer eller molekyler. Konveksjon er formen for varmeoverføring som forekommer i væsker (flytende eller gassformige), der varme flyter gjennom bevegelsen av væskedeler. Stråling er formen for varmeoverføring som forekommer gjennom elektromagnetiske bølger, som lys eller infrarød stråling.
I metaller forekommer varmeoverføring hovedsakelig ved konduksjon, siden metaller er faste stoffer og har mange frie elektroner. De frie elektronene kan bevege seg tilfeldig gjennom metall og kollidere med andre elektroner eller atomer, overfører kinetisk energi og termisk energi. Jo flere frie elektroner et metall har, jo høyere er dens termiske ledningsevne.
Hvilke faktorer påvirker termisk ledningsevne for metaller?
Termisk ledningsevne for metaller avhenger av flere faktorer, som:
Typen og antallet frie elektroner: Metaller med flere frie elektroner har høyere termisk ledningsevne siden de kan bære mer varmeanergi. For eksempel har sølv den høyeste termiske ledningsevnen blant metaller, fulgt av kobber og gull.
Atommassen og størrelsen: Metaller med tyngre og større atomer har lavere termisk ledningsevne siden de vibrerer langsommere og forhindrer bevegelsen av frie elektroner. For eksempel har bly en lav termisk ledningsevne blant metaller.
Krysallstrukturer og defekter: Metaller med en mer regulær og kompakt krysallstruktur har høyere termisk ledningsevne siden de har mindre motstand for elektronflyt. For eksempel har metaller med en kubisk struktur høyere termisk ledningsevne enn metaller med en heksagonal struktur. Defekter som forurensninger, vakanser eller dislokasjoner kan også redusere termisk ledningsevne for metaller ved å spre elektroner.
Temperaturen: Termisk ledningsevne for metaller varierer med temperatur på ulike måter avhengig av den dominante mekanismen for varmeoverføring. For rene metaller og legeringer er varmeoverføring hovedsakelig skyld i frie elektroner (elektronisk konduksjon). Når temperaturen øker, øker både antallet frie elektroner og gittervibrasjonene. Derfor minsker termisk ledningsevne for metaller litt med økende temperatur. For isolatorer og halvledere er varmeoverføring hovedsakelig skyld i gittervibrasjoner (fononisk konduksjon). Når temperaturen øker, øker gittervibrasjonene betydelig og spredte elektroner oftere. Derfor øker termisk ledningsevne for isolatorer og halvledere raskt med økende temperatur.
Hva er Wiedemann-Franz-loven?
Wiedemann-Franz-loven er en relasjon som forbinder elektrisk ledningsevne og termisk ledningsevne for metaller ved en gitt temperatur. Den sier at:
σK=LT
Der,
K er termisk ledningsevne i W/m-K
σ er elektrisk ledningsevne i S/m
L er Lorenz-tallet, som er en konstant lik 2,44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T er absolutt temperatur i K
Denne loven impliserer at metaller som har høy elektrisk ledningsevne også har høy termisk ledningsevne, siden begge egenskapene avhenger av frie elektroner. Den impliserer også at forholdet mellom termisk ledningsevne og elektrisk ledningsevne er proporsjonalt med temperaturen for metaller.
Imidlertid har denne loven noen begrensninger. Den gjelder bare rene metaller og legeringer ved veldig høye eller veldig lave temperaturer. Den gjelder ikke for isolatorer eller halvledere, der fononisk konduksjon dominerer over elektronisk konduksjon. Den gjelder heller ikke for noen metaller, som beryllium eller rent sølv, som avviker fra dette.
Hva er termiske ledningsevner for noen vanlige metaller?
Termisk ledningsevne for metaller varierer mye avhengig av typen og renheten av metall. Tabellen nedenfor viser noen eksempler på termiske ledningsevner for noen vanlige metaller ved romtemperatur (25°C).
