Độ dẫn nhiệt của kim loại: Cách nhiệt chảy qua các vật liệu khác nhau
Độ dẫn nhiệt là một thuộc tính đo lường khả năng truyền nhiệt của một vật liệu từ một điểm đến điểm khác mà không cần di chuyển vật liệu. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như cấu trúc, thành phần và nhiệt độ của vật liệu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào độ dẫn nhiệt của kim loại, những chất rắn có độ dẫn điện và nhiệt cao, cũng như mật độ cao.
Kim loại là gì?
Kim loại được định nghĩa là một vật liệu rắn có cấu trúc tinh thể, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo một mô hình quy luật. Các nguyên tử bao gồm các hạt nhân với các lớp electron quanh hạt nhân, được liên kết chặt chẽ với hạt nhân. Tuy nhiên, một số electron ở ngoài cùng có thể di chuyển tự do trong kim loại, tạo thành một "biển" electron có thể mang dòng điện và năng lượng nhiệt.
Kim loại có nhiều đặc tính hữu ích, như cường độ cao, độ dẻo, độ mỏng, độ sáng bóng và độ phản xạ. Chúng cũng là chất dẫn điện và nhiệt tốt, có nghĩa là chúng có thể truyền các dạng năng lượng này một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Nhiệt truyền trong kim loại như thế nào?
Truyền nhiệt là quá trình di chuyển năng lượng nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt độ thấp hơn. Có ba phương thức chính của truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Dẫn nhiệt là phương thức truyền nhiệt xảy ra trong chất rắn, nơi nhiệt chảy thông qua tiếp xúc trực tiếp giữa các nguyên tử hoặc phân tử. Đối lưu là phương thức truyền nhiệt xảy ra trong chất lỏng (chất lỏng hoặc khí), nơi nhiệt chảy thông qua sự di chuyển của các hạt chất lỏng. Bức xạ là phương thức truyền nhiệt xảy ra thông qua sóng điện từ, như ánh sáng hoặc bức xạ hồng ngoại.
Trong kim loại, truyền nhiệt chủ yếu xảy ra bằng dẫn nhiệt, vì kim loại là chất rắn và có nhiều electron tự do. Các electron tự do có thể di chuyển ngẫu nhiên trong kim loại và va chạm với các electron hoặc nguyên tử khác, truyền năng lượng động và nhiệt. Kim loại có càng nhiều electron tự do, độ dẫn nhiệt càng cao.
Những yếu tố nào ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của kim loại?
Độ dẫn nhiệt của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như:
Loại và số lượng electron tự do: Kim loại có nhiều electron tự do hơn có độ dẫn nhiệt cao hơn vì chúng có thể mang nhiều năng lượng nhiệt hơn. Ví dụ, bạc có độ dẫn nhiệt cao nhất trong các kim loại, sau đó là đồng và vàng.
Khối lượng nguyên tử và kích thước: Kim loại có nguyên tử nặng và lớn hơn có độ dẫn nhiệt thấp hơn vì chúng dao động chậm hơn và cản trở sự di chuyển của electron tự do. Ví dụ, chì có độ dẫn nhiệt thấp trong các kim loại.
Cấu trúc tinh thể và khuyết tật: Kim loại có cấu trúc tinh thể đều đặn và chặt chẽ hơn có độ dẫn nhiệt cao hơn vì chúng có ít độ kháng hơn đối với dòng electron. Ví dụ, kim loại có cấu trúc lập phương có độ dẫn nhiệt cao hơn so với kim loại có cấu trúc lục giác. Các khuyết tật như tạp chất, chỗ trống, hoặc biến dạng cũng có thể làm giảm độ dẫn nhiệt của kim loại bằng cách phân tán electron.
Nhiệt độ: Độ dẫn nhiệt của kim loại thay đổi theo nhiệt độ theo cách khác nhau tùy thuộc vào cơ chế chính của truyền nhiệt. Đối với kim loại tinh khiết và hợp kim, truyền nhiệt chủ yếu do electron tự do (dẫn nhiệt điện tử). Khi nhiệt độ tăng, cả số lượng electron tự do và dao động mạng lưới đều tăng. Do đó, độ dẫn nhiệt của kim loại giảm nhẹ khi nhiệt độ tăng. Đối với chất cách điện và bán dẫn, truyền nhiệt chủ yếu do dao động mạng lưới (dẫn nhiệt phonon). Khi nhiệt độ tăng, dao động mạng lưới tăng đáng kể và phân tán electron thường xuyên hơn. Do đó, độ dẫn nhiệt của chất cách điện và bán dẫn tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
Định luật Wiedemann-Franz là gì?
Định luật Wiedemann-Franz là một mối quan hệ kết nối giữa độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của kim loại ở một nhiệt độ cho trước. Nó nêu rằng:
σK=LT
Trong đó,
K là độ dẫn nhiệt (W/m-K)
σ là độ dẫn điện (S/m)
L là số Lorenz, là hằng số bằng 2.44 x 10^-8 W-ôm/K^2
T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
Định luật này ngụ ý rằng kim loại có độ dẫn điện cao cũng có độ dẫn nhiệt cao vì cả hai thuộc tính đều phụ thuộc vào electron tự do. Nó cũng ngụ ý rằng tỷ lệ giữa độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ của kim loại.
Tuy nhiên, định luật này có một số hạn chế. Nó chỉ áp dụng cho kim loại tinh khiết và hợp kim ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp. Nó không áp dụng cho chất cách điện hoặc bán dẫn, nơi dẫn nhiệt phonon chiếm ưu thế hơn dẫn nhiệt điện tử. Nó cũng không áp dụng cho một số kim loại, như berillium hoặc bạc tinh khiết, vốn không tuân theo định luật này.
Giá trị độ dẫn nhiệt của một số kim loại phổ biến là gì?
Độ dẫn nhiệt của kim loại thay đổi đáng kể tùy theo loại và độ tinh khiết của kim loại. Bảng dưới đây cho thấy một số ví dụ về giá trị độ dẫn nhiệt cho một số kim loại phổ biến ở nhiệt độ phòng (25°C).
