Vodljivost toplote kovin: Kako se toplota prenese skozi različne material
Toplotna prevodnost je lastnost, ki meri, kako dobro material lahko prenese toplotno energijo iz enega kraja v drugega brez gibanja samega materiala. Odvisna je od dejavnikov, kot so struktura, sestava in temperatura materiala. V tem članku se bomo osredotočili na toplotno prevodnost kovin, ki so trditve z visoko električno in toplotno prevodnostjo ter visoko gostoto.
Kaj je kovina?
Kovina je definirana kot trdinec, ki ima kristalno strukturo, kjer so atomsko razporejene v pravilni vzorec. Atomi so sestavljeni iz jedra z njihovimi okoljskimi skupinami osnovnih elektronov, ki so tesno vezani na jedro. Nekateri najbolj oddaljeni elektroni pa so prosto premikalni skozi kovino, kar ustvarja morje elektronov, ki lahko nosi električni tok in toplotno energijo.
Kovine imajo veliko uporabnih lastnosti, kot so visoka trdnost, prožnost, lepotenje, blistavo in odbojnost. Tudi dobri so vodiči električne energije in toplote, kar pomeni, da lahko te oblike energije učinkovito in hitro prenašajo.
Kako se prenaša toplota v kovinah?
Prenos toplote je postopek, pri katerem se toplotna energija prenese iz območja višje temperature v območje nižje temperature. Obstaja tri glavne načine prenosa toplote: prevodnost, konvekcija in radiacija.
Prevodnost je način prenosa toplote, ki se dogaja v trdinah, kjer se toplota prenese skozi neposredni stik med atomi ali molekuli. Konvekcija je način prenosa toplote, ki se dogaja v tekočinah (tekočinah ali plinih), kjer se toplota prenese skozi gibanje delcev tekočine. Radiacija je način prenosa toplote, ki se dogaja skozi elektromagnetske valove, kot so svetloba ali infrardeča radiacija.
V kovinah se prenos toplote glavno dogaja z prevodnostjo, saj so kovine trditve in imajo veliko prostih elektronov. Prosti elektroni se lahko naključno gibljejo skozi kovino in niso z drugimi elektroni ali atomi, prenašajo kinetično in toplotno energijo. Število prostih elektronov, ki jih ima kovina, večja je njena toplotna prevodnost.
Kateri dejavniki vplivajo na toplotno prevodnost kovin?
Toplotna prevodnost kovin odvisna je od več dejavnikov, kot so:
Tip in število prostih elektronov: Kovine z večjim številom prostih elektronov imajo višjo toplotno prevodnost, ker lahko prenašajo več toplotne energije. Na primer, srebro ima najvišjo toplotno prevodnost med kovinami, sledi mu bakar in zlato.
Atomska masa in velikost: Kovine z težjimi in večjimi atomi imajo nižjo toplotno prevodnost, ker se boljeje pomikajo in ovirajo gibanje prostih elektronov. Na primer, olovo ima nizko toplotno prevodnost med kovinami.
Kristalna struktura in defekti: Kovine z bolj redko in kompaktno kristalno strukturo imajo višjo toplotno prevodnost, ker imajo manj upora za pretok elektronov. Na primer, kovine z kubično strukturo imajo višjo toplotno prevodnost kot kovine z heksagonalno strukturo. Defekti, kot so onesnaženosti, praznine ali dislokacije, lahko tudi zmanjšajo toplotno prevodnost kovin z razprševanjem elektronov.
Temperatura: Toplotna prevodnost kovin se spreminja s temperaturo na različne načine, odvisno od dominirajočega mehanizma prenosa toplote. Za čiste kovine in zlitine je prenos toplote glavno posledica prostih elektronov (električna prevodnost). Ko se temperatura poviša, se poveča število prostih elektronov in mrežne vibracije. Tako se toplotna prevodnost kovin nekoliko zmanjša s povečevanjem temperature. Za dielektrike in polprevodnike je prenos toplote glavno posledica mrežnih vibracij (fononska prevodnost). Ko se temperatura poviša, se mrežne vibracije bistveno povečajo in bolj pogosto razpršujejo elektrone. Tako se toplotna prevodnost dielektrikov in polprevodnikov hitro poveča s povečevanjem temperature.
Kaj je Wiedemann-Franzov zakon?
Wiedemann-Franzov zakon je relacija, ki povezuje električno prevodnost in toplotno prevodnost kovin pri dani temperaturi. Pravi, da:
σK=LT
Kjer,
K je toplotna prevodnost v W/m-K
σ je električna prevodnost v S/m
L je Lorenzovo število, ki je konstanta enaka 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T je absolutna temperatura v K
Ta zakon pomeni, da kovine, ki imajo visoko električno prevodnost, imajo tudi visoko toplotno prevodnost, saj obe lastnosti odvisni so od prostih elektronov. Pravi tudi, da je razmerje med toplotno prevodnostjo in električno prevodnostjo sorazmerno s temperaturo kovin.
Vendar ima ta zakon nekaj omejitev. Velja le za čiste kovine in zlitine pri zelo visokih ali zelo nizkih temperaturah. Ne velja za dielektrike ali polprevodnike, kjer dominira fononska prevodnost nad električno prevodnostjo. Tudi ne velja za nekatere kovine, kot je berilij ali čisto srebro, ki se odstopajo od tega.
Kateri so vrednosti toplotne prevodnosti nekaterih običajnih kovin?
Toplotna prevodnost kovin se močno razlikuje glede na tip in čistoto kovine. Tabela spodaj prikazuje nekaj primerov vrednosti toplotne prevodnosti nekaterih običajnih kovin pri sobni temperaturi (25°C).
