Metallers termisk ledningsförmåga: Hur värme flödar genom olika material
Värmeledning är en egenskap som mäter hur väl ett material kan överföra värme från en punkt till en annan utan att materialen själva rör sig. Det beror på faktorer som struktur, sammansättning och temperaturen hos materialet. I denna artikel kommer vi att fokusera på den termiska ledningsförmågan hos metaller, vilka är fasta material med hög elektrisk och termisk ledningsförmåga samt hög densitet.
Vad är en metall?
En metall definieras som ett fast material som har en kristallin struktur, där atomerna är ordnade i ett regelbundet mönster. Atomerna består av kärnor med deras omgivande skal av kärnelektroner, vilka är tätt bundna till kärnorna. Vissa av de yttre elektronerna är dock fria att röra sig genom hela metallen, vilket bildar en hav av elektroner som kan bära elektrisk ström och värmeenergi.
Metaller har många användbara egenskaper, såsom hög styrka, smidighet, formbarhet, glans och reflektivitet. De är också bra ledare för elektricitet och värme, vilket betyder att de kan överföra dessa former av energi effektivt och snabbt.
Hur överförs värme i metaller?
Värmeöverföring är processen att flytta termisk energi från en region med högre temperatur till en region med lägre temperatur. Det finns tre huvudsakliga sätt att överföra värme: konduktion, konvektion och strålning.
Konduktion är sättet att överföra värme som inträffar i fasta material, där värme flödar genom direkt kontakt mellan atomer eller molekyler. Konvektion är sättet att överföra värme som inträffar i vätskor (vätskor eller gaser), där värme flödar genom rörelsen av vätskepartiklar. Strålning är sättet att överföra värme som inträffar genom elektromagnetiska vågor, som ljus eller infraröd strålning.
I metaller överförs värme huvudsakligen genom konduktion, eftersom metaller är fasta material och har många fria elektroner. De fria elektronerna kan röra sig slumpmässigt genom metallen och kollidera med andra elektroner eller atomer, vilket överför kinetisk och termisk energi. Ju fler fria elektroner en metall har, desto högre är dess termiska ledningsförmåga.
Vilka faktorer påverkar den termiska ledningsförmågan hos metaller?
Den termiska ledningsförmågan hos metaller beror på flera faktorer, såsom:
Typ och antal fria elektroner: Metaller med fler fria elektroner har högre termisk ledningsförmåga eftersom de kan bära mer värmeenergi. Till exempel har silver den högsta termiska ledningsförmågan bland metaller, följt av koppar och guld.
Atommassa och storlek: Metaller med tyngre och större atomer har lägre termisk ledningsförmåga eftersom de vibrerar långsammare och hindrar rörelsen av fria elektroner. Till exempel har bly en låg termisk ledningsförmåga bland metaller.
Kristallstruktur och defekter: Metaller med en mer regelbunden och kompakt kristallstruktur har högre termisk ledningsförmåga eftersom de har mindre motstånd mot elektronflöde. Till exempel har metaller med en kubisk struktur högre termisk ledningsförmåga än metaller med en hexagonal struktur. Defekter som föroreningar, vakanser eller dislokationer kan också minska den termiska ledningsförmågan hos metaller genom att sprida elektroner.
Temperaturen: Den termiska ledningsförmågan hos metaller varierar med temperaturen på olika sätt beroende på den dominerande mekanismen för värmeöverföring. För rena metaller och legningar är värmeöverföringen huvudsakligen beroende av fria elektroner (elektronisk konduktion). När temperaturen ökar, ökar både antalet fria elektroner och gittervibrationer. Därför minskar den termiska ledningsförmågan hos metaller något med ökande temperatur. För isolatorer och halvledare är värmeöverföringen huvudsakligen beroende av gittervibrationer (fononkonduktion). När temperaturen ökar, ökar gittervibrationerna signifikant och sprider elektroner mer ofta. Därför ökar den termiska ledningsförmågan hos isolatorer och halvledare snabbt med ökande temperatur.
Vad är Wiedemann-Franz lag?
Wiedemann-Franz lag är en relation som kopplar samman den elektriska ledningsförmågan och den termiska ledningsförmågan hos metaller vid en given temperatur. Den anger att:
σK=LT
Där,
K är den termiska ledningsförmågan i W/m-K
σ är den elektriska ledningsförmågan i S/m
L är Lorenz numret, vilket är en konstant lika med 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2
T är den absoluta temperaturen i K
Denna lag innebär att metaller som har hög elektrisk ledningsförmåga också har hög termisk ledningsförmåga, eftersom båda egenskaperna beror på de fria elektronerna. Den innebär också att förhållandet mellan den termiska ledningsförmågan och den elektriska ledningsförmågan är proportionellt mot temperaturen hos metaller.
Dock har denna lag vissa begränsningar. Den gäller endast för rena metaller och legningar vid mycket höga eller mycket låga temperaturer. Den gäller inte för isolatorer eller halvledare, där fononkonduktion dominerar över elektronisk konduktion. Den gäller heller inte för vissa metaller, som beryllium eller rent silver, som avviker från detta.
Vilka är de termiska ledningsvärdena för några vanliga metaller?
Den termiska ledningsförmågan hos metaller varierar brett beroende på typ och renhet av metallen. Tabellen nedan visar några exempel på termiska ledningsvärden för några vanliga metaller vid rumstemperatur (25°C).
