Tepelná vodivost opatření a materiálů, schopnost umožňují teplo projít přes vodivost. Tepelná vodivost materiálu, jako je kov, je vysoce závislá na složení a struktuře.
kovy jsou obvykle známy jako vysoce účinné tepelné vodiče.
tento článek bude zkoumat mechanismy přenosu tepla, co dělá kovy ideální tepelné vodiče, a použití běžných kovů & slitiny.
Význam Tepelné Vodivosti v Každodenním Životě
Obrázek 1. A
Obrázek 1. B
Obrázek 1. A A B ukazují vizuální ilustrace jednotlivců v kuchyni využívajících Kuchyňské potřeby.
vaření je pro většinu lidí součástí každodenního života. Proto jsou kuchyňské spotřebiče navrženy s cílem zajistit maximální bezpečnost a účinnost. To vyžaduje pochopení tepelné fyziky. Tam je důvod, proč topné těleso toustovač, obvykle vyrobené z nichromu-dráty, míchání lžíce mají tendenci být dřevěné a materiálu výstavba trouba rukavice bez prstů by nikdy zahrnovat kovové sloučeniny.
Definování Teploty & Tepelná Vodivost
je třeba připomenout, definice teploty, aby pochopili, tepelné vodivosti matematicky.
Provozní definice T:
provozní definice teploty je hodnota měřená teploměrem, který jednoduše měří expanzi objemu rtuti.
Image 2. Ilustrace dvou teploměrů v jednotkách Celsia a Fahrenheita
fyzika definice T:
v tepelné fyzice se teplota a tepelné vedení rozumí studiem pohybu molekul.
Schroeder, autor knihy „Úvod do tepelné fyziky“ popisuje teplotu matematicky jako:
kde:
S=entropie,
U=energie,
N=počet částic,
V=objem systému (Schroeder, 2007).
proto je teplota systému závislá na entropii a energii, když je počet částic a objem systému udržován konstantní.
Schroeder říká slovy: „teplota je měřítkem tendence objektu spontánně se vzdát energie svému okolí. Když jsou dva objekty v tepelném kontaktu, ten, který má tendenci spontánně ztrácet energii, je při vyšší teplotě „(Schroeder, 2007). Je to proto, že dva objekty v kontaktu se pokusí dosáhnout tepelné rovnováhy; stát se stejnou teplotou.
pro vizualizaci teploty a tepelného vedení na mikroskopické úrovni Obrázek 1 A A B jsou demonstrovány níže. Představte si, že neznámý objekt A A B jsou ve vzájemném fyzickém kontaktu. Objekt a má vyšší teplotu než objekt B. co se stane s teplotou po určitou dobu?
Obrázek 1. A
Obrázek 1.B
Obrázek 1.A znázorňuje dva neznámé objekty ve fyzickém kontaktu s sebou, a Obrázek 1.B zobrazuje molekuly objektů.
At t0, TA > TB
At t1, TA > TB
At tn, TA = TB
At t0, ŝA > ŝB
At t1, ŝA > ŝB
At tn, ŝA > ŝB
Given that tn: a point in time, TA: temperature of object A, TB: temperature of object B, ŝA: average speed of A particle, ŝB: average speed of B particle.
při t0 se atomy objektu a pohybují rychleji a atomy objektu B se pohybují pomaleji (TA > TB). V průběhu času se objekt a vzdává energie a objekt B získává energii, dokud nemají stejnou teplotu (TA = TB) a nedosáhnou tepelné rovnováhy. Toto je tepelné vedení popsané na molekulární úrovni. Nejbližší atomy objekt narazí do atomů objektu B. atomy objekt B, který měl počáteční interakce s atomy objekt narazit na další atomy objekt B, dokud energie se přenáší přes všechny atomy objektu B.
Schroeder definuje tepelné vedení jako “ přenos tepla molekulárním kontaktem: rychle se pohybující molekuly narážejí na pomalu se pohybující molekuly a vzdávají se části své energie v procesu „(Schroeder, 2007).
Způsoby Přenosu Tepla pro Kovy
To je cenné připomenout tři způsoby přenosu tepla; proudění pro plyny/kapaliny, záření pro objekty odděleny prázdným prostorem a vedení pro objekty v přímém kontaktu.
tepelné vedení je také rozděleno do tří kategorií: molekulární kolize pro formy plyn / kapalina, mřížkové vibrace pro pevné látky a vodivé elektrony pro kovy, jak je znázorněno na obrázku 2. nízko.
Obrázek 2. Způsoby přenosu tepla.
Tepelné Vodivosti kovů bude zahrnovat molekulární kolize + vodivost elektronů u kovů v plynu stát, a kmity mřížky + vodivé elektrony, u kovů v pevném stavu. Vodivé elektrony jsou v podstatě to, co dělá kov neuvěřitelným vodičem. Před vysvětlením, co je vlastně vodivý elektron, je nezbytné připomenout definici kovu.
definování kovů
všechny prvky lze nalézt pod periodickou tabulkou včetně kovů, nekovů a Metaloidů. Kovy jsou definovány jako “ prvky, které tvoří pozitivní ionty ztrátou elektronů během chemických reakcí „(Blaber, 2015).
obrázek 3. Periodická tabulka zobrazující všechny prvky roztříděné do kovů, nekovů a Metaloidů.
Tabulka 1. Seznam typických fyzikálních vlastností kovů.
Pevné při pokojové teplotě
Vysoká hustota
Vysoký Bod Tání,
Vysoký Bod Varu
Tvárné
Tvárné
Lesklá
Co Dělá Kovy, Dobré Tepelné Vodiče?
Co dělá kov dobrým tepelným vodičem, jsou volně tekoucí vodivé elektrony.
obrázek 4. Kovový blok, který se zahřívá zobrazující atomy a volně tekoucí elektrony.
Kovovými atomy přístřešek valenční elektrony, když chemicky reaguje s non-kovové atomy, např. tvořit oxidy a soli. Kovové ionty jsou tedy kationty ve vodném roztoku. To, co dělá kovy a kovové slitiny dobrými vodiči, je speciální kovové lepení. V kovových pevných látkách, vázané atomy sdílejí své valenční elektrony, tvořící moře volně se pohybujících vodivých elektronů, které nesou teplo i elektrický náboj. Takže, na rozdíl od např. elektrony v kovalentní vazby, valenční elektrony v kovu mohou volně proudit přes kovové latexy, efektivně nesoucí teplo, aniž by byl uzamčen na jednotlivé atomové jádro.
Matematické modelování hodnoty tepelné vodivosti (k)
tepelná vodivost (k) měří schopnost entity vést teplo (Q).
vysoká hodnota k: Vysoká tepelná vodivost
obrázek 4. List materiálu s rovnicí tepelné vodivosti.
:
k = tepelná vodivost (W/m•K),
ΔQ = přenos energie (Joulů za sekundu),
Δt = změna v čase (v sekundách),
ΔT = teplotní gradient (K),
A = plocha tepelné vodivosti(m2),
Δx = tloušťka materiálu.
hodnoty tepelné vodivosti kovů a slitin
následující tabulky zobrazují tepelnou vodivost pro výběr kovů a slitin při pokojové teplotě.
Tabulka 2. Seznam typických fyzikálních vlastností kovů.
| Metals | Thermal Conductivity at Room Temperature (W/m•K) |
|---|---|
| Aluminum | 226 |
| Aluminum alloy (Al Mg 2.5-5.0) | 125 |
| Carbon Steel | 71 |
| Magnesium | 151 |
| Brass (Yellow) | 117 |
| Bronze (Aluminum) | 71 |
| Copper | 397 |
| Iron | 72 |
| Stainless steel (446) | 23 |
| Steel alloy 8620 (cast) | 46 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Tungsten | 197 |
| Lead | 34 |
| Nickel | 88 |
| Steel carbon type 1020 (0.2 – 0.6 c) | 71 |
| Zinc | 112 |
| Titanium | 21 |
| Tin | 62 |
Note: Copper and Aluminum have the highest thermal conductivity value (k). Check our material database.
Použití Běžných Kovů & Slitiny ve výše uvedené tabulky
Kovy a slitiny (materiály vyrobené z kombinace kovů) se používá jako stavební materiál v různých průmyslových odvětvích, jako je elektronika, strojírenství, laboratorní zařízení, zdravotnické zařízení, dům držet produkty, a stavebnictví.
nejvyšší hodnota tepelné vodivosti kovů se nachází ve stříbře (-429 W / m•K), mědi (-398 W / m•K) a zlatě (-315 W•m * k).
kovy jsou velmi důležité při výrobě elektroniky, protože jsou dobrými vodiči elektřiny. Měď, hliník, cín, Olovo, hořčík a plast se často používají při výrobě dílů telefonů, notebooků, počítačů a automobilové elektroniky. Měď je nákladově efektivní a používá se pro elektrické vedení. Olovo se používá pro opláštění kabelů a výrobu baterií. Cín se používá pro výrobu pájek. Slitiny hořčíku se používají při výrobě nových technologií, protože jsou lehké. Plast se používá pro výrobu částí elektroniky, které nesmí vést elektřinu a titan se používá k výrobě plastů.
kovy jsou také důležité ve strojírenském průmyslu. Hliník se často používá při výrobě automobilových & rovinných dílů a používá se jako slitina, protože jeho čistá forma je slabá. Automobilový odlitek je vyroben ze zinku. Železo, ocel a nikl jsou běžné kovy používané ve stavebnictví a infrastruktuře. Ocel je slitina železa a uhlíku (a často i dalších prvků). Zvýšením obsahu uhlíku v oceli vzniká uhlíková ocel, díky níž je materiál silnější, ale méně tvárný. Uhlíková ocel se často používá ve stavebních materiálech. Mosaz a bronz (měď legovaná zinkem a cínem) mají příznivé vlastnosti povrchového tření a používají se pro zámky & závěsy a rámy dveří & okna.
A konečně, tradičně žárovky vlákna pro fluorescenční světlo jsou vyrobeny z wolframu. Nicméně, tyto jsou vyřazeny, neboť jen asi 5% energie se přemění na světlo nějaký zdroj světla, jako je tento, zbytek energie je přeměněn na teplo. Moderní světelné zdroje jsou často založeny na technologii LED a polovodičích.
Závěrem lze říci, že tepelná vodivost kovu je velmi důležitá pro navrhování jakékoli konstrukce. Je nedílnou součástí bezpečnosti, efektivity a nových inovací v průmyslových odvětvích. Vodivé elektrony jsou mechanismem vysoké vodivosti kovů ve srovnání s nekovovými materiály. Hodnota tepelné vodivosti (k) se však může mezi kovy značně lišit.
Schroeder, D.v. (2018). Úvod do tepelné fyziky. Indie: Pearson Indie Vzdělávací Služby.
databáze materiálů-tepelné vlastnosti. (neuvedeno). Citováno z https://thermtest.com/materials-database
hliníkové slitiny 101. (2020, 9. března). Citováno z https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, g. (n. d.). Vedení. Citováno z https://physics.info/conduction/
Blaber, m. (2019, červen 3). 9.2: kovy a nekovy a jejich ionty. Citováno z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.) / 09: _The_Periodic_Table_and_Some_Atomic_properties / 9.2: _Metals_and_Nonmetals_and_their_ions
tepelná vodivost. (neuvedeno). Citováno z http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
oxid titaničitý pro plasty. (neuvedeno). Citováno z https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, a. (2020, 6. Března). Co je uhlíková ocel? Citováno z https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n. d.). Citováno z http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
obrázky
Obrázek 1.A: Mohamed, M. (2019). Kuchařka . Citováno z https://pxhere.com/en/photo/1584957.
Obrázek 1.B: Mohamed, M. (2019). Kuchař Vaření . Citováno z https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Obrázek 2: Wikipedia. Teploměr . Citováno z https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Autor: Selen Yildir / Junior Technický spisovatel / Thermtest