دھاتوں کی حرارتی تکانے کی صلاحیت: مختلف مواد میں گرمی کیسے بہتی ہے

حرارتی کاندکٹیوٹی ایک خصوصیت ہے جس سے مادے کی صلاحیت کا پیمانہ لگایا جاتا ہے کہ وہ ایک نقطہ سے دوسرے نقطہ تک حرارت کو کتنی اچھی طرح منتقل کر سکتا ہے بغیر کہ مادے کو ہلایا جائے۔ یہ مادے کی ساخت، ترکیب اور درجہ حرارت جیسے عوامل پر منحصر ہوتا ہے۔ اس مضمون میں ہم فلزات کی حرارتی کاندکٹیوٹی پر مرکوز ہوں گے، جو ایسے ٹھوس مواد ہیں جن میں برقی اور حرارتی کاندکٹیوٹی کی حد بالا ہوتی ہے اور گنجائش زیادہ ہوتی ہے۔

فلز کیا ہے؟

فلز کو ایک ٹھوس مادہ کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے جس کی کریستلنی ساخت ہوتی ہے، جہاں ذرات نظامی رسم سے ترتیب دیے گئے ہوتے ہیں۔ ذرات کے اندر کرنل ہوتے ہیں جن کے اردگرد کور الیکٹران موجود ہوتے ہیں جو کرنل کے ساتھ محکم جڑے ہوتے ہیں۔ تاہم، کچھ سب سے اوپر والے الیکٹران آزاد ہوتے ہیں جو فلز کے اندر گھوم سکتے ہیں، الیکٹران کا ایک سمندر بناتے ہیں جو برقی کارنٹ اور حرارتی توانائی کو منتقل کر سکتے ہیں۔

فلزات کی کئی فائدہ مند خصوصیات ہوتی ہیں، جیسے بلند قوت، مرونت، مچھلی، چمک اور عکاسی۔ وہ برقی توانائی اور حرارت کے اچھے کاندکٹرز بھی ہوتے ہیں، جس کا مطلب یہ ہے کہ وہ ان توانائی کی شکلیں کو کارآمدی اور تیزی سے منتقل کر سکتے ہیں۔

فلزات میں حرارت کیسے منتقل ہوتی ہے؟

حرارت کا منتقل ہونا ایک عمل ہے جس میں حرارتی توانائی کو ایک زیادہ درجہ حرارت کے علاقے سے کم درجہ حرارت کے علاقے میں منتقل کیا جاتا ہے۔ حرارت کے منتقل ہونے کے تین اہم طریقے ہیں: کاندکشن، کانوکشن، اور ریڈییشن۔

ہدایت کاری وہ گرمی کا منتقلی طریقہ ہے جو مٹیوں میں ہوتا ہے، جہاں گرمی اتم یا جزیات کے درمیان مستقیم رابطے کے ذریعے بہتی ہے۔ ہوا کشی وہ گرمی کا منتقلی طریقہ ہے جو مائعات یا گیسیں (مائعات) میں ہوتا ہے، جہاں گرمی مائع جزیات کی تحرک کے ذریعے منتقل ہوتی ہے۔ شعاعیت وہ گرمی کا منتقلی طریقہ ہے جو الیکٹروماگناٹک موجوں کے ذریعے ہوتا ہے، جیسے روشنی یا انفرادی شعاعیت۔

فلزات میں، گرمی کا منتقلی بنیادی طور پر ہدایت کاری کے ذریعے ہوتا ہے، کیونکہ فلزات مٹی ہوتے ہیں اور ان میں بہت سارے آزاد الیکٹران ہوتے ہیں۔ آزاد الیکٹران فلز کے اندر بے ترتیب طور پر چل سکتے ہیں اور دیگر الیکٹران یا اتموں کے ساتھ ٹکرات سکتے ہیں، جس سے حرکی توانائی اور گرمی کی توانائی منتقل ہوتی ہے۔ جتنے زیادہ آزاد الیکٹران فلز میں ہوتے ہیں، اتنا ہی اس کی گرمی کی ہدایت کاری زیادہ ہوتی ہے۔

فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری پر کون سے عوامل اثر انداز ہوتے ہیں؟

فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری کئی عوامل پر منحصر ہوتی ہے، جیسے:

• آزاد الیکٹران کی قسم اور تعداد: زیادہ آزاد الیکٹران والے فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری زیادہ ہوتی ہے کیونکہ وہ زیادہ گرمی کی توانائی لے سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، چاندی فلزات میں سب سے زیادہ گرمی کی ہدایت کاری رکھتی ہے، جس کے بعد کپڑا اور سونا۔

• اتمی وزن اور حجم: زیادہ سنگین اور بڑے اتم والے فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری کم ہوتی ہے کیونکہ وہ بہت آہستہ تکن چلتے ہیں اور آزاد الیکٹران کی تحرک کو روکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، لوہے کی گرمی کی ہدایت کاری فلزات میں کم ہوتی ہے۔

• کریسٹل کی ساخت اور خرابیاں: زیادہ منظم اور گھنے کریسٹل کی ساخت والے فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری زیادہ ہوتی ہے کیونکہ ان میں الیکٹران کی تحرک کے لیے کم رکاوٹ ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، کیوبک ساخت والے فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری ہیکسوگونل ساخت والے فلزات سے زیادہ ہوتی ہے۔ خرابیاں جیسے غیر صافی، خالی مقام یا ناپاکی الیکٹران کو پھیلانے کے ذریعے فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری کو کم کر سکتی ہیں۔

• درجہ حرارت: فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری مختلف طریقوں سے درجہ حرارت کے ساتھ تبدیل ہوتی ہے۔ صاف فلزات اور آلیاژوں کے لیے، گرمی کا منتقلی بنیادی طور پر آزاد الیکٹران (الیکٹرانک ہدایت کاری) کے ذریعے ہوتا ہے۔ جب درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے تو آزاد الیکٹران کی تعداد اور گرڈ کی تکن میں اضافہ ہوتا ہے۔ اس لیے، فلزات کی گرمی کی ہدایت کاری درجہ حرارت کے بڑھنے کے ساتھ کم ہوتی ہے۔ عازل اور نیم موصلوں کے لیے، گرمی کا منتقلی بنیادی طور پر گرڈ کی تکن (فونونک ہدایت کاری) کے ذریعے ہوتا ہے۔ جب درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے تو گرڈ کی تکن میں اضافہ ہوتا ہے اور الیکٹران کو زیادہ فریکوئنسی سے پھیلتا ہے۔ اس لیے، عازل اور نیم موصلوں کی گرمی کی ہدایت کاری درجہ حرارت کے بڑھنے کے ساتھ تیزی سے بڑھتی ہے۔

ویڈمن فرانز کا قانون کیا ہے؟

ویڈمن فرانز کا قانون ایک رشتہ ہے جو فلزات کی الیکٹرکل ہدایت کاری اور گرمی کی ہدایت کاری کو متعین کرتا ہے۔ یہ کہتا ہے کہ:

σK=LT

جہاں،

• K وٹ/م-کے میں حرارت کی سنجیدگی ہے

• σ ایس/م میں برقی سنجیدگی ہے

• L لورنز عدد ہے، جو 2.44 x 10^-8 وٹ-اوہم/کے^2 کے برابر ثابت ہے

• T کے میں مطلق درجہ حرارت ہے

اس قانون کا مطلب یہ ہے کہ وہ دھاتیں جن کی برقی سنجیدگی زیادہ ہوتی ہے، ان کی حرارتی سنجیدگی بھی زیادہ ہوتی ہے کیونکہ دونوں خصوصیات آزاد الکترون پر منحصر ہیں۔ یہ بھی ظاہر ہوتا ہے کہ حرارتی سنجیدگی کا برقی سنجیدگی کے تناسب میں دھاتوں کا درجہ حرارت متناسب ہوتا ہے۔

لیکن، اس قانون کے کچھ محدودیتیں ہیں۔ یہ صرف خالص دھاتوں اور آلیاژوں پر لاگو ہوتا ہے جب درجہ حرارت بہت زیادہ یا بہت کم ہوتا ہے۔ یہ عایقین یا نصف رسانوں پر لاگو نہیں ہوتا، جہاں آوازی کی سنجیدگی الکترونک سنجیدگی پر غلبہ رکھتی ہے۔ یہ کچھ دھاتوں پر بھی لاگو نہیں ہوتا، جیسے بیریلیم یا خالص چاندی، جو اس سے انحراف کرتی ہیں۔

کچھ عام دھاتوں کی حرارتی سنجیدگی کی قدر کیا ہے؟

دھاتوں کی حرارتی سنجیدگی کا درجہ دھات کی قسم اور خالصیت پر منحصر ہوتا ہے۔ نیچے کی جدول میں کچھ عام دھاتوں کی حرارتی سنجیدگی کی قدر کے مثالیں درج ہیں جب درجہ حرارت کمرہ درجہ حرارت (25°C) پر ہوتا ہے۔

جیسے کہ ہم دیکھ سکتے ہیں، چاندی میٹلوں میں سب سے زیادہ حرارتی موصلیت رکھتی ہے، اس کے بعد کپڑا اور سونا آتا ہے۔ ان میٹلوں کو الیکٹرانکس اور برقی کارروائیوں میں وسیع طور پر استعمال کیا جاتا ہے، کیونکہ وہ موثر طور پر حرارت اور برق منتقل کرسکتے ہیں۔ دوسری طرف، سیس کی حرارتی موصلیت میٹلوں میں سب سے کم ہوتی ہے، جس کی وجہ سے یہ عایقی اور شیلڈنگ کے مقاصد کے لئے مناسب ہوتا ہے۔

میٹلوں کی حرارتی موصلیت درجہ حرارت، دباؤ، ترکیب، اور ساخت کے ساتھ بدل سکتی ہے۔ مثلاً، آلیاژ (میٹلوں کی مخلوطیت) عام طور پر خالص میٹلوں کے مقابلے میں کم حرارتی موصلیت رکھتے ہیں، کیونکہ ان میں موجود ناپاکیوں اور خرابیوں کی وجہ سے الیکٹرانز کو پھیلانا مشکل ہوتا ہے۔ اسی طرح، مختلف کریسٹلی ساخت یا فاز والے میٹل مختلف حرارتی موصلیت کی قدر رکھ سکتے ہیں۔

میٹلوں کی حرارتی موصلیت کیسے ناپی جاتی ہے؟

میٹلوں کی حرارتی موصلیت کی پیمائش کے لئے مختلف طریقوں اور آلتوں کا استعمال ہوتا ہے، جو نمونے کی شکل، سائز، اور درجہ حرارت پر منحصر ہوتا ہے۔ بعض عام طریقے یہ ہیں:

• ستیوی طریقے: ان طریقوں میں نمونے کی ایک طرف مستقل حرارت فلکس لگائی جاتی ہے اور نمونے کے دونوں طرف کی پیدا ہونے والی درجہ حرارت کی فرق کی پیمائش کی جاتی ہے۔ حرارتی موصلیت کو فوریئر کے حرارت کے انتقال کے قانون کا استعمال کرتے ہوئے کیلکولیٹ کیا جا سکتا ہے۔ ستیوی طریقوں کے مثالیں ہیں: گارڈڈ ہاٹ پلیٹ، ہیٹ فلو میٹر، اور ڈویڈڈ بار۔

• ترانہ طریقے: ان طریقوں میں نمونے کی ایک طرف کوٹی کی مدت کے لئے حرارت کا پلٹ لگایا جاتا ہے اور نمونے کی ایک یا دوسری طرف پر وقت کے ساتھ پیدا ہونے والی درجہ حرارت کی تبدیلی کی پیمائش کی جاتی ہے۔ حرارتی موصلیت کو حرارت کے انتقال کے تجزیاتی یا عددی ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے کیلکولیٹ کیا جا سکتا ہے۔ ترانہ طریقوں کے مثالیں ہیں: ہاٹ وائر، لیزر فلاش، اور ٹرانسینٹ پلین سرس۔

• غیر ملامس طریقے: ان طریقوں میں نمونے کو چھونے بغیر حرارت کا ذریعہ یا درجہ حرارت کا سنسور لگایا جاتا ہے، بلکہ الیکٹرومیگناٹک موجوں یا آوازی موجوں کا استعمال کرتے ہوئے حرارت کا انتقال کو پیدا یا پہچاننے کی کوشش کی جاتی ہے۔ حرارتی موصلیت کو نمونے کی آپٹک یا آوازی خصوصیات کا استعمال کرتے ہوئے کیلکولیٹ کیا جا سکتا ہے۔ غیر ملامس طریقوں کے مثالیں ہیں: فوٹو تھرمیل ریڈیومیٹری، ٹھرمیل ویو آئیمیجنگ، اور آلتھرنڈ سونار تھرمومیٹری۔

ہر طریقے کے اپنے فائدے اور محدودیتیں ہوتی ہیں، جو پیمائش کی درستگی، صحت، رفتار، لاگت، اور قابلیت پر منحصر ہوتی ہیں۔ اس لیے، ہر مخصوص مورد کے لئے مناسب طریقہ اور آلہ منتخب کرنا ضروری ہے۔

میٹلوں کی حرارتی موصلیت کیوں اہم ہے؟

فلزات کی حرارتی تکثیرت کئی مہنگی اور سائنسی اطلاقیوں کے لئے اہم ہے، جیسے:

• حرارتی تبادلہ کنندہ: یہ دو یا زیادہ مائعات یا صلیبات کے درمیان حرارت کو منتقل کرنے والے آلے ہیں بغیر ان کو ملا ہوئے۔ ان کا وسیع طور پر برق کی تولید، کیمیائی پروسیسنگ، فریجنگ، اور ہوائی تعمیر میں استعمال ہوتا ہے۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت حرارتی تبادلہ کنندہ کی کارکردگی اور کارآمدی کو متاثر کرتی ہے، کیونکہ یہ یہ تعین کرتی ہے کہ کتنی تیزی سے اور کتنا حرارت منتقل کیا جاسکتا ہے۔

• حرارتی مینجمنٹ: یہ دستیاب یا حرارت کھانے والے دستاویزات یا نظام کے درجہ حرارت اور حرارت کے ذخیرہ کو کنٹرول کرنے کا عمل ہے۔ یہ الیکٹرانک کمپوننٹس، بیٹریز، انجن، ریاکٹرز، اور خلائی جہاز کی قابلِ اعتمادیت اور سلامتی کے لئے ضروری ہے۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت حرارتی مینجمنٹ کے لئے مواد اور کمپوننٹس کے ڈیزائن اور انتخاب کو متاثر کرتی ہے، کیونکہ یہ یہ تعین کرتی ہے کہ وہ کتنی بہتری سے حرارت کو منتقل کر سکتے ہیں یا حرارت کو عایق کر سکتے ہیں۔

• ترموالیکٹرک دستاویزات: یہ دستاویزات حرارت کو برق کے متبادل یا بالعکس تبدیل کرتے ہیں سیبک اثر یا پیلٹیئر اثر کا استعمال کرتے ہوئے۔ ان کا استعمال برق کی تولید، تبرید، گرم کرنے، اور حس کرنے کے لئے کیا جاتا ہے۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت ترموالیکٹرک دستاویزات کی کارکردگی اور کارآمدی کو متاثر کرتی ہے، کیونکہ یہ یہ تعین کرتی ہے کہ تبدیلی کے دوران کتنی حرارت کھوئی یا حاصل کی گئی ہے۔

نیتی

حرارتی تکثیرت ایک خصوصیت ہے جو ایک مادے کی حرارت کو منتقل کرنے کی کارکردگی کو ناپتی ہے بغیر خود کو منتقل کرتے ہوئے۔ فلزات ایسے صلیبات ہیں جن میں اعلیٰ الیکٹرکل اور حرارتی تکثیرت ہوتی ہے، جو ان کی ساخت میں آزاد الیکٹرونز پر منحصر ہوتی ہے۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت ان کے قسم، صفائی، درجہ حرارت، دباؤ، ترکیب، اور ساخت کے ساتھ بدل سکتی ہے۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت کو ناپنے کے مختلف طریقے اور آلے ہیں، جو نمونے کی شکل، سائز، اور درجہ حرارت پر منحصر ہوتے ہیں۔ فلزات کی حرارتی تکثیرت کئی مہنگی اور سائنسی اطلاقیوں کے لئے اہم ہے، جیسے حرارتی تبادلہ کنندہ، حرارتی مینجمنٹ، اور ترموالیکٹرک دستاویزات۔

بیان: اصلي کو تحفظ دیں، اچھے مضامین کو شئر کرنے کا قابل ہیں، اگر کوئی نقصان ہو تو کنٹیکٹ کر کے ہٹا دیں۔