Теплопровідність металів: як тепло проходить через різні матеріали
Теплопровідність — це властивість, яка вимірює, наскільки добре матеріал може передавати тепло з одного місця в інше без переміщення самого матеріалу. Вона залежить від таких факторів, як структура, склад та температура матеріалу. У цій статті ми зосередимося на теплопровідності металів, які є твердими матеріалами з високою електричною та тепловою провідністю, а також високою густотою.
Що таке Метал?
Метал визначається як твердий матеріал, який має кристалічну структуру, де атоми розташовані у регулярному порядку. Атоми складаються з ядер, оточених оболонками основних електронів, які є тісно пов'язаними з ядрами. Однак, деякі з найдальших електронів вільні для руху по всьому металу, формуючи море електронів, яке може переносити електричний струм та теплову енергію.
Метали мають багато корисних властивостей, таких як висока міцність, пластичність, податливість, блеск та відбивання. Вони також є хорошими провідниками електрики та тепла, що означає, що вони можуть ефективно та швидко передавати ці форми енергії.
Як передається тепло в металах?
Передача тепла — це процес переміщення теплової енергії з області вищої температури до області нижчої температури. Існує три основні способи передачі тепла: теплопровідність, конвекція та радіація.
Теплопровідність — це спосіб передачі тепла, який відбувається в твердих тілах, де тепло передається через прямий контакт між атомами або молекулами. Конвекція — це спосіб передачі тепла, який відбувається в рідинах або газах, де тепло передається через рух частинок рідини. Радіація — це спосіб передачі тепла, який відбувається через електромагнітні хвилі, такі як світло або інфрачервоне випромінювання.
У металів передача тепла переважно відбувається через теплопровідність, оскільки метал — тверде тіло, яке має багато вільних електронів. Вільні електрони можуть випадково рухатися по всьому металу та зіткнутися з іншими електронами або атомами, передаючи кінетичну та теплову енергію. Чим більше вільних електронів має метал, тим вища його теплопровідність.
Які фактори впливають на теплопровідність металів?
Теплопровідність металів залежить від кількох факторів, таких як:
Тип та кількість вільних електронів: Метали з більшою кількістю вільних електронів мають вищу теплопровідність, оскільки вони можуть переносити більше теплової енергії. Наприклад, срібло має найвищу теплопровідність серед металів, за ним йдуть мідь та золото.
Атомна маса та розмір: Метали з важчими та більшими атомами мають нижчу теплопровідність, оскільки вони вібрають повільніше та заважають русі вільних електронів. Наприклад, свинець має нижчу теплопровідність серед металів.
Кристалічна структура та дефекти: Метали з більш регулярною та компактною кристалічною структурою мають вищу теплопровідність, оскільки вони мають меншу опір до потоку електронів. Наприклад, метали з кубічною структурою мають вищу теплопровідність, ніж метали з гексагональною структурою. Дефекти, такі як домішки, вакансії або дислокації, також можуть знизити теплопровідність металів, розсіюючи електрони.
Температура: Теплопровідність металів змінюється з температурою по-різному, залежно від домінуючого механізму передачі тепла. Для чистих металів та сплавів передача тепла відбувається переважно через вільні електрони (електронна провідність). Коли температура підвищується, збільшується кількість вільних електронів та коливання решітки. Тому теплопровідність металів трохи зменшується зі зростанням температури. Для диелектриків та напівпровідників передача тепла відбувається переважно через коливання решітки (фононна провідність). Коли температура підвищується, коливання решітки значно збільшуються та частіше розсіюють електрони. Тому теплопровідність диелектриків та напівпровідників швидко збільшується зі зростанням температури.
Що таке закон Відемана-Франца?
Закон Відемана-Франца — це співвідношення, яке з'єднує електричну провідність та теплопровідність металів при заданій температурі. Він стверджує, що:
σK=LT
Де,
K — це теплопровідність в Вт/м-К
σ — це електрична провідність в С/м
L — це число Лоренца, яке є сталою, рівною 2,44 x 10^-8 Вт-ом/К^2
T — абсолютна температура в К
Цей закон означає, що метал, який має високу електричну провідність, також має високу теплопровідність, оскільки обидві властивості залежать від вільних електронів. Цей закон також означає, що співвідношення теплопровідності до електричної провідності пропорційне температурі металів.
Однак, цей закон має деякі обмеження. Він застосовується лише до чистих металів та сплавів при дуже високих або дуже низьких температурах. Він не застосовується до диелектриків або напівпровідників, де фононна провідність домінує над електронною провідністю. Він також не застосовується до деяких металів, таких як берилій або чисте срібло, які відхиляються від цього.
Які значення теплопровідності деяких поширених металів?
Теплопровідність металів сильно варіюється в залежності від типу та чистоти металу. Таблиця нижче показує деякі приклади значень теплопровідності для деяких поширених металів при кімнатній температурі (25°C).
