Condutividade Térmica de Metais: Como o Calor Flui Através de Diferentes Materiais
A condutividade térmica é uma propriedade que mede quão bem um material pode transferir calor de um ponto para outro sem mover o material em si. Ela depende de fatores como a estrutura, composição e temperatura do material. Neste artigo, focaremos na condutividade térmica dos metais, que são sólidos com alta condutividade elétrica e térmica, e alta densidade.
O que é um Metal?
Um metal é definido como um material sólido que tem uma estrutura cristalina, onde os átomos estão arranjados em um padrão regular. Os átomos consistem em núcleos com suas camadas de elétrons principais, que estão fortemente ligados aos núcleos. No entanto, alguns dos elétrons mais externos são livres para se mover por todo o metal, formando um mar de elétrons que podem transportar corrente elétrica e energia térmica.
Os metais possuem muitas propriedades úteis, como alta resistência, ductilidade, maleabilidade, brilho e refletância. Eles também são bons condutores de eletricidade e calor, o que significa que podem transferir essas formas de energia de forma eficiente e rápida.
Como o Calor se Transfere nos Metais?
A transferência de calor é o processo de movimentação de energia térmica de uma região de maior temperatura para uma região de menor temperatura. Existem três modos principais de transferência de calor: condução, convecção e radiação.
A condução é o modo de transferência de calor que ocorre em sólidos, onde o calor flui através do contato direto entre átomos ou moléculas. A convecção é o modo de transferência de calor que ocorre em fluidos (líquidos ou gases), onde o calor flui através do movimento das partículas do fluido. A radiação é o modo de transferência de calor que ocorre através de ondas eletromagnéticas, como luz ou radiação infravermelha.
Nos metais, a transferência de calor ocorre principalmente por condução, pois os metais são sólidos e possuem muitos elétrons livres. Os elétrons livres podem se mover aleatoriamente pelo metal e colidir com outros elétrons ou átomos, transferindo energia cinética e térmica. Quanto mais elétrons livres um metal tiver, maior será sua condutividade térmica.
Quais Fatores Afetam a Condutividade Térmica dos Metais?
A condutividade térmica dos metais depende de vários fatores, como:
O tipo e número de elétrons livres: Metais com mais elétrons livres têm maior condutividade térmica, pois podem transportar mais energia térmica. Por exemplo, a prata tem a maior condutividade térmica entre os metais, seguida pelo cobre e pelo ouro.
A massa atômica e o tamanho: Metais com átomos mais pesados e maiores têm menor condutividade térmica, pois vibram mais lentamente e impedem o movimento de elétrons livres. Por exemplo, o chumbo tem baixa condutividade térmica entre os metais.
A estrutura cristalina e defeitos: Metais com uma estrutura cristalina mais regular e compacta têm maior condutividade térmica, pois têm menos resistência ao fluxo de elétrons. Por exemplo, metais com uma estrutura cúbica têm maior condutividade térmica do que metais com uma estrutura hexagonal. Defeitos como impurezas, vacâncias ou dislocações também podem reduzir a condutividade térmica dos metais, espalhando os elétrons.
A temperatura: A condutividade térmica dos metais varia com a temperatura de diferentes maneiras, dependendo do mecanismo dominante de transferência de calor. Para metais puros e ligas, a transferência de calor é principalmente devido aos elétrons livres (condução eletrônica). À medida que a temperatura aumenta, tanto o número de elétrons livres quanto as vibrações da rede aumentam. Portanto, a condutividade térmica dos metais diminui ligeiramente com o aumento da temperatura. Para isolantes e semicondutores, a transferência de calor é principalmente devido às vibrações da rede (condução fonônica). À medida que a temperatura aumenta, as vibrações da rede aumentam significativamente e espalham os elétrons com mais frequência. Portanto, a condutividade térmica de isolantes e semicondutores aumenta rapidamente com o aumento da temperatura.
Qual é a Lei de Wiedemann-Franz?
A lei de Wiedemann-Franz é uma relação que conecta a condutividade elétrica e a condutividade térmica dos metais em uma determinada temperatura. Ela afirma que:
σK=LT
Onde,
K é a condutividade térmica em W/m-K
σ é a condutividade elétrica em S/m
L é o número de Lorenz, que é uma constante igual a 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T é a temperatura absoluta em K
Esta lei implica que metais que têm alta condutividade elétrica também têm alta condutividade térmica, já que ambas as propriedades dependem dos elétrons livres. Também implica que a razão entre a condutividade térmica e a condutividade elétrica é proporcional à temperatura dos metais.
No entanto, esta lei tem algumas limitações. Ela se aplica apenas a metais puros e ligas a temperaturas muito altas ou muito baixas. Não se aplica a isolantes ou semicondutores, onde a condução fonônica predomina sobre a condução eletrônica. Também não se aplica a alguns metais, como berílio ou prata pura, que se desviam desta.
Quais são os Valores de Condutividade Térmica de Alguns Metais Comuns?
A condutividade térmica dos metais varia amplamente dependendo do tipo e pureza do metal. A tabela abaixo mostra alguns exemplos de valores de condutividade térmica para alguns metais comuns à temperatura ambiente (25°C).
