Теплопроводность металлов: как тепло распространяется через различные материалы

Теплопроводность — это свойство, которое измеряет, насколько хорошо материал может передавать тепло от одной точки к другой без перемещения самого материала. Оно зависит от таких факторов, как структура, состав и температура материала. В этой статье мы сосредоточимся на теплопроводности металлов, которые являются твердыми веществами с высокой электрической и тепловой проводимостью, а также высокой плотностью.

Что такое металл?

Металл определяется как твердый материал, имеющий кристаллическую структуру, в которой атомы расположены в регулярном порядке. Атомы состоят из ядер с окружающими их оболочками внутренних электронов, которые тесно связаны с ядрами. Однако некоторые из самых внешних электронов свободны для перемещения по всему металлу, образуя море электронов, способное переносить электрический ток и тепловую энергию.

Металлы обладают многими полезными свойствами, такими как высокая прочность, пластичность, ковкость, блеск и отражательная способность. Они также являются хорошими проводниками электричества и тепла, что означает, что они могут эффективно и быстро передавать эти формы энергии.

Как происходит передача тепла в металлах?

Передача тепла — это процесс перемещения тепловой энергии из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Существует три основных режима передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность — это режим передачи тепла, который происходит в твердых телах, где тепло передается через прямой контакт между атомами или молекулами. Конвекция — это режим передачи тепла, который происходит в жидкостях или газах, где тепло передается через движение частиц жидкости. Излучение — это режим передачи тепла, который происходит через электромагнитные волны, такие как свет или инфракрасное излучение.

В металлах передача тепла в основном происходит за счет теплопроводности, поскольку металлы — это твердые тела, имеющие много свободных электронов. Свободные электроны могут случайным образом перемещаться по всему металлу и сталкиваться с другими электронами или атомами, передавая кинетическую и тепловую энергию. Чем больше свободных электронов у металла, тем выше его теплопроводность.

Какие факторы влияют на теплопроводность металлов?

Теплопроводность металлов зависит от нескольких факторов, таких как:

• Тип и количество свободных электронов: Металлы с большим количеством свободных электронов имеют более высокую теплопроводность, поскольку они могут переносить больше тепловой энергии. Например, серебро имеет самую высокую теплопроводность среди металлов, за ним следуют медь и золото.

• Атомная масса и размер: Металлы с более тяжелыми и крупными атомами имеют более низкую теплопроводность, поскольку они вибрируют медленнее и препятствуют движению свободных электронов. Например, свинец имеет низкую теплопроводность среди металлов.

• Кристаллическая структура и дефекты: Металлы с более регулярной и компактной кристаллической структурой имеют более высокую теплопроводность, поскольку они имеют меньше сопротивления потоку электронов. Например, металлы с кубической структурой имеют более высокую теплопроводность, чем металлы с гексагональной структурой. Дефекты, такие как примеси, вакансии или дислокации, также могут снижать теплопроводность металлов, рассеивая электроны.

• Температура: Теплопроводность металлов изменяется с температурой по-разному в зависимости от преобладающего механизма передачи тепла. Для чистых металлов и сплавов передача тепла в основном происходит за счет свободных электронов (электронная проводимость). По мере увеличения температуры количество свободных электронов и колебания решетки увеличиваются. Таким образом, теплопроводность металлов слегка уменьшается с увеличением температуры. Для диэлектриков и полупроводников передача тепла в основном происходит за счет колебаний решетки (фононная проводимость). По мере увеличения температуры колебания решетки значительно увеличиваются и рассеивают электроны чаще. Таким образом, теплопроводность диэлектриков и полупроводников быстро увеличивается с увеличением температуры.

Что такое закон Видемана-Франца?

Закон Видемана-Франца — это соотношение, связывающее электрическую и тепловую проводимость металлов при данной температуре. Он утверждает, что:

σK=LT

Где,

• K — теплопроводность в Вт/м-К

• σ — электрическая проводимость в См/м

• L — число Лоренца, которое является постоянной, равной 2,44 x 10^-8 Вт-ом/К^2

• T — абсолютная температура в К

Этот закон подразумевает, что металлы, имеющие высокую электрическую проводимость, также имеют высокую тепловую проводимость, поскольку оба свойства зависят от свободных электронов. Он также подразумевает, что отношение теплопроводности к электрической проводимости пропорционально температуре металлов.

Однако этот закон имеет некоторые ограничения. Он применим только к чистым металлам и сплавам при очень высоких или очень низких температурах. Он не применим к диэлектрикам или полупроводникам, где фононная проводимость доминирует над электронной проводимостью. Он также не применим к некоторым металлам, таким как бериллий или чистое серебро, которые отклоняются от этого закона.

Каковы значения теплопроводности некоторых распространенных металлов?

Теплопроводность металлов сильно варьируется в зависимости от типа и чистоты металла. Таблица ниже показывает примеры значений теплопроводности для некоторых распространенных металлов при комнатной температуре (25°C).