Termalna проводљивост метала: Како топлота протиче кроз различите материјале
Toplotna provodljivost je svojstvo koje mjeri koliko dobro materijal može prenijeti toplinu od jedne tačke do druge bez pokretanja samog materijala. Ovisi o faktorima poput strukture, sastava i temperature materijala. U ovom članku fokusirati ćemo se na toplotnu provodljivost metala, koji su čvrsti materijali sa visokom električnom i toplotnom provodljivošću, kao i visokom gustošću.
Šta je metal?
Metal se definiše kao čvrsti materijal koji ima kristalnu strukturu, gde su atomski nukleusi raspoređeni u regularan uzorak. Atomi sastoje se od nukleusa sa njihovim okružujućim slojem osnovnih elektrona, koji su čvrsto vezani za nukleuse. Međutim, neki od najvanijih elektrona su slobodni da se kreću kroz metal, formirajući more elektrona koje mogu nositi električnu struju i toplinsku energiju.
Metali imaju mnogo korisnih svojstava, poput visoke čvrstoće, duktilnosti, maljabilnosti, sjaja i reflektivnosti. Takođe su dobri provodnici elektriciteta i topline, što znači da mogu efikasno i brzo prenositi te forme energije.
Kako se toplina prenosi u metlima?
Prenos topline je proces prenosa toplinske energije iz regiona više temperature u region niže temperature. Postoje tri glavna načina prenosa topline: kondukcija, konvekcija i radiacija.
Kondukcija je način prenosa topline koji se dešava u čvrstim materijalima, gde toplina teče putem direktnog kontakta između atoma ili molekula. Konvekcija je način prenosa topline koji se dešava u fluidima (tečnostima ili plinovima), gde toplina teče putem kretanja fluidnih čestica. Radiacija je način prenosa topline koji se dešava putem elektromagnetskih valova, poput svetlosti ili infracrvene radijacije.
U metlima, prenos topline uglavnom se dešava kondukcijskim putem, jer su metali čvrsti materijali i imaju mnogo slobodnih elektrona. Slobodni elektroni mogu nasumično kretati kroz metal i sudarati se s drugim elektronima ili atomima, prenositi kinetičku i toplinsku energiju. Što više slobodnih elektrona ima metal, to veća je njegova toplotna provodljivost.
Koji faktori utiču na toplotnu provodljivost metala?
Toplotna provodljivost metala zavisi od nekoliko faktora, kao što su:
Tip i broj slobodnih elektrona: Metali sa više slobodnih elektrona imaju veću toplotnu provodljivost jer mogu nositi više toplinske energije. Na primjer, srebro ima najveću toplotnu provodljivost među metlima, zatim bakar i zlato.
Atomska masa i veličina: Metali sa težim i većim atomima imaju nižu toplotnu provodljivost jer vibriraju sporije i sprečavaju kretanje slobodnih elektrona. Na primjer, olovo ima nisku toplotnu provodljivost među metlima.
Kristalna struktura i defekti: Metali sa regularnijom i kompaktnijom kristalnom strukturom imaju veću toplotnu provodljivost jer imaju manje otpor elektronima. Na primjer, metali sa kubnom strukturom imaju veću toplotnu provodljivost od metala sa heksagonalnom strukturom. Defekti poput impuriteta, vakanci ili diskontinuiteta takođe mogu smanjiti toplotnu provodljivost metala rasipanjem elektrona.
Temperatura: Toplotna provodljivost metala varira s temperaturom na različite načine, ovisno o dominantnom mehanizmu prenosa topline. Za čiste metale i legure, prenos topline uglavnom je posredovan slobodnim elektronima (elektronska kondukcija). Kako temperatura raste, porasta i broj slobodnih elektrona i mrežne vibracije. Stoga, toplotna provodljivost metala blago opada s povećanjem temperature. Za dielektrike i poluprovodnike, prenos topline uglavnom je posredovan mrežnim vibracijama (fononska kondukcija). Kako temperatura raste, mrežne vibracije znatno porastu i češće rasipaju elektrone. Stoga, toplotna provodljivost dielektrika i poluprovodnika brzo raste s povećanjem temperature.
Šta je Wiedemann-Franzov zakon?
Wiedemann-Franzov zakon je relacija koja povezuje električnu provodljivost i toplotnu provodljivost metala na datoj temperaturi. Kaže da je:
σK=LT
Gdje je,
K toplotna provodljivost u W/m-K
σ električna provodljivost u S/m
L Lorenzov broj, koji je konstanta jednaka 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T apsolutna temperatura u K
Ovaj zakon implicira da metali koji imaju visoku električnu provodljivost takođe imaju visoku toplotnu provodljivost, jer oba svojstva zavise od slobodnih elektrona. Takođe implicira da je odnos toplotne provodljivosti i električne provodljivosti proporcionalan temperaturi metala.
Međutim, ovaj zakon ima neke ograničenja. Primjenjuje se samo na čiste metale i legure pri vrlo visokim ili vrlo niskim temperaturama. Ne primjenjuje se na dielektrike ili poluprovodnike, gdje dominira fononska kondukcija nad elektronskom kondukcijom. Takođe se ne primjenjuje na neke metale, poput berilija ili čistog srebra, koji se odstupaju od ovog zakona.
Koji su vrednosti toplotne provodljivosti nekih često korišćenih metala?
Toplotna provodljivost metala značajno varira ovisno o vrsti i čistoći metala. Tabela ispod pokazuje nekoliko primera vrednosti toplotne provodljivosti za neke česte metale pri sobnoj temperaturi (25°C).
