ความนำความร้อนของโลหะ: วิธีการที่ความร้อนไหลผ่านวัสดุต่างๆ

ความนำความร้อนเป็นคุณสมบัติที่วัดว่าวัสดุสามารถถ่ายเทความร้อนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้ดีเพียงใดโดยไม่ต้องเคลื่อนย้ายวัสดุเอง ความนำความร้อนขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น โครงสร้าง การประกอบ และอุณหภูมิของวัสดุ ในบทความนี้ เราจะเน้นที่ความนำความร้อนของโลหะ ซึ่งเป็นของแข็งที่มีความนำไฟฟ้าและความร้อนสูง และมีความหนาแน่นสูง

โลหะคืออะไร?

โลหะถูกกำหนดให้เป็นวัสดุของแข็งที่มีโครงสร้างผลึก โดยที่อะตอมเรียงตัวในรูปแบบที่สม่ำเสมอ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและเปลือกอิเล็กตรอนหลักที่ผูกพันอย่างแน่นหนากับนิวเคลียส แต่อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดบางส่วนสามารถเคลื่อนที่ไปทั่วโลหะ สร้างทะเลของอิเล็กตรอนที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าและพลังงานความร้อนได้

โลหะมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์มากมาย เช่น ความแข็งแรง ความยืดหยุ่น ความเหนียว ความเงางาม และการสะท้อนแสง นอกจากนี้ พวกเขายังเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดี หมายความว่าสามารถถ่ายเทรูปแบบของพลังงานเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว

ความร้อนถ่ายเทในโลหะอย่างไร?

การถ่ายเทความร้อนเป็นกระบวนการย้ายพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า มีสามวิธีการถ่ายเทความร้อนหลัก คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

การนำความร้อนเป็นวิธีการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในของแข็ง โดยที่ความร้อนไหลผ่านการสัมผัสโดยตรงระหว่างอะตอมหรือโมเลกุล การพาความร้อนเป็นวิธีการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในของเหลว (ของเหลวหรือแก๊ส) โดยที่ความร้อนไหลผ่านการเคลื่อนที่ของอนุภาคของเหลว การแผ่รังสีเป็นวิธีการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสงหรือรังสีอินฟราเรด

ในโลหะ การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เกิดขึ้นโดยการนำความร้อน เนื่องจากโลหะเป็นของแข็งและมีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมาก อิเล็กตรอนเสรีสามารถเคลื่อนที่อย่างสุ่มไปทั่วโลหะและชนกับอิเล็กตรอนหรืออะตอมอื่น ๆ ทำให้ถ่ายทอดพลังงานจลน์และพลังงานความร้อน อิเล็กตรอนเสรีมากเท่าไหร่ ความนำความร้อนของโลหะก็จะสูงขึ้น

ปัจจัยใดที่มีผลต่อความนำความร้อนของโลหะ?

ความนำความร้อนของโลหะขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น:

• ประเภทและจำนวนของอิเล็กตรอนเสรี: โลหะที่มีอิเล็กตรอนเสรีมากจะมีความนำความร้อนสูงขึ้น เนื่องจากสามารถนำพาพลังงานความร้อนได้มากขึ้น ตัวอย่างเช่น เงินมีความนำความร้อนสูงสุดในโลหะ ตามด้วยทองแดงและทองคำ

• มวลอะตอมและขนาด: โลหะที่มีอะตอมหนักและใหญ่มากจะมีความนำความร้อนต่ำ เนื่องจากสั่นไหวช้าลงและขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเสรี ตัวอย่างเช่น ตะกั่วมีความนำความร้อนต่ำในโลหะ

• โครงสร้างผลึกและข้อบกพร่อง: โลหะที่มีโครงสร้างผลึกที่ปกติและกระชับจะมีความนำความร้อนสูง เนื่องจากมีความต้านทานต่อการไหลของอิเล็กตรอนน้อย ตัวอย่างเช่น โลหะที่มีโครงสร้างลูกบาศก์มีความนำความร้อนสูงกว่าโลหะที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยม ข้อบกพร่อง เช่น สิ่งเจือปน ว่างเปล่า หรือการแตกหักสามารถลดความนำความร้อนของโลหะได้โดยการกระจายอิเล็กตรอน

• อุณหภูมิ: ความนำความร้อนของโลหะเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิในวิธีที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับกลไกการถ่ายเทความร้อนที่สำคัญ สำหรับโลหะบริสุทธิ์และโลหะผสม การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เกิดจากอิเล็กตรอนเสรี (การนำความร้อนทางอิเล็กทรอนิกส์) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ทั้งจำนวนของอิเล็กตรอนเสรีและการสั่นไหวของโครงสร้างผลึกเพิ่มขึ้น ดังนั้น ความนำความร้อนของโลหะลดลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สำหรับฉนวนและสารกึ่งตัวนำ การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เกิดจากการสั่นไหวของโครงสร้างผลึก (การนำความร้อนทางโฟโนน) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การสั่นไหวของโครงสร้างผลึกเพิ่มขึ้นอย่างมากและกระจายอิเล็กตรอนบ่อยขึ้น ดังนั้น ความนำความร้อนของฉนวนและสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

กฎของ Wiedemann-Franz คืออะไร?

กฎของ Wiedemann-Franz เป็นความสัมพันธ์ที่เชื่อมโยงความนำไฟฟ้าและความนำความร้อนของโลหะที่อุณหภูมิที่กำหนด มันระบุว่า:

σK=LT

โดยที่

• K คือ ความนำความร้อนในหน่วย W/m-K

• σ คือ ความนำไฟฟ้าในหน่วย S/m

• L คือ ค่า Lorenz ซึ่งเป็นค่าคงที่เท่ากับ 2.44 x 10^-8 W-โอห์ม/K^2

• T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วย K

กฎนี้แสดงว่า โลหะที่มีความนำไฟฟ้าสูงก็จะมีความนำความร้อนสูงเช่นกัน เนื่องจากทั้งสองคุณสมบัติขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนเสรี นอกจากนี้ ยังแสดงว่า อัตราส่วนของความนำความร้อนต่อความนำไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิของโลหะ

อย่างไรก็ตาม กฎนี้มีข้อจำกัดบางประการ ใช้ได้เฉพาะกับโลหะบริสุทธิ์และโลหะผสมที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำมาก ไม่สามารถใช้ได้กับฉนวนหรือสารกึ่งตัวนำ ซึ่งการถ่ายเทความร้อนทางโฟโนนเป็นสำคัญกว่าการถ่ายเทความร้อนทางอิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ ยังไม่สามารถใช้ได้กับโลหะบางชนิด เช่น เบอริลเลียมหรือเงินบริสุทธิ์ ซึ่งมีการเบี่ยงเบนจากกฎนี้

ค่าความนำความร้อนของโลหะทั่วไปคืออะไร?

ความนำความร้อนของโลหะมีความหลากหลายขึ้นอยู่กับประเภทและความบริสุทธิ์ของโลหะ ตารางด้านล่างแสดงตัวอย่างค่าความนำความร้อนของโลหะทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง (25°C)

ทิป