termisk ledningsevne måler en materialers evne til at lade varme passere gennem den via ledningsevne. Den termiske ledningsevne af et materiale som metal er stærkt afhængig af sammensætning og struktur.
metaller er typisk kendt for at være yderst effektive termiske ledere.
Denne artikel vil undersøge mekanismerne for varmeoverførsel, hvad der gør metaller ideelle termiske ledere og anvendelser af almindelige metaller & legeringer.
betydningen af termisk ledningsevne i hverdagen
billede 1. A
billede 1. B
billede 1. A og B viser visuelle illustrationer af personer i køkkenet, der bruger køkkenartikler.
madlavning er en del af hverdagen for de fleste mennesker. Derfor er madlavningsapparater designet med incitament til at sikre maksimal sikkerhed og effektivitet. Dette kræver en forståelse af termisk fysik. Der er en grund til, at varmeelementet i en brødrister typisk er lavet af nichrome-ledninger, blandeskeer har tendens til at være træ, og materialekonstruktionen af ovnhandsker ville aldrig involvere en metalforbindelse.
definition af temperatur& termisk ledning
det er nødvendigt at huske definitionen af temperatur for at forstå termisk ledning matematisk.
Operationel definition af T:
den operationelle definition af temperatur er værdien målt med et termometer, der simpelthen måler udvidelsen af Kviksølvvolumen.
billede 2. Illustration af to termometre i Celsius og Fahrenheit enheder
fysik definition af T:
i Termisk fysik forstås temperatur og termisk ledning ved at studere molekylernes bevægelse.
Schroeder, forfatteren af ‘introduktion til Termisk Fysik’ beskriver temperatur matematisk som:
hvor:
S=entropi,
U=energi,
N=antal partikler,
V=volumen af systemet (Schroeder, 2007).
derfor er temperaturen i et system afhængig af entropi og energi, når antallet af partikler og volumenet af et system holdes konstant.
Schroeder siger med ord: “temperatur er et mål for en genstands tendens til spontant at opgive energi til sine omgivelser. Når to objekter er i termisk kontakt, er den, der har tendens til spontant at miste energi, ved den højere temperatur” (Schroeder, 2007). Dette skyldes, at de to objekter i kontakt vil forsøge at nå termisk ligevægt; blive den samme temperatur.
for at visualisere temperatur og termisk ledning på et mikroskopisk niveau Figur 1 A og B er vist nedenfor. Forestil dig, at et ukendt objekt A og B er i fysisk kontakt med hinanden. Objekt A har en højere temperatur end objekt B. Hvad vil der ske med temperaturen over en tidsperiode?
Figur 1. A
Figur 1.B
Figur 1.A illustrerer to ukendte objekter i fysisk kontakt med hinanden, og figur 1.B viser molekylerne af objekterne.
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.
Ved t0 bevæger atomerne af objekt A sig hurtigere, og atomer af objekt B bevæger sig med en langsommere hastighed (TA> TB). Over tid opgiver objekt a energi, og objekt B får energi, indtil de har den samme temperatur (TA = TB) og når termisk ligevægt. Dette er termisk ledning beskrevet på molekylært niveau. De nærmeste atomer af objekt a støder på atomer af objekt B. atomerne af objekt B, der havde den indledende interaktion med atomer af objekt a, støder på flere atomer af objekt B, indtil energi overføres gennem alle atomer af objekt B.
Schroeder definerer termisk ledning som” overførsel af varme ved molekylær kontakt: hurtigt bevægende molekyler støder på langsomt bevægende molekyler og opgiver noget af deres energi i processen ” (Schroeder, 2007).
former for varmeoverførsel til metaller
det er værdifuldt at huske de tre former for varmeoverførsel; konvektion for gasser / væsker, stråling for genstande adskilt af tomt rum og ledning for genstande i direkte kontakt.
termisk ledning er også opdelt i tre kategorier: molekylære kollisioner for gas / flydende former, gittervibrationer for faste stoffer og ledningselektroner for metaller som vist i figur 2. nedenfor.
figur 2. Former for varmeoverførsel.
termisk ledning af metaller vil omfatte molekylære kollisioner + ledningselektroner til metaller i gastilstand og gittervibrationer + ledende elektroner til metaller i fast tilstand. Ledningselektroner er i det væsentlige det, der gør et metal til en utrolig leder. Før du forklarer, hvad en ledningselektron virkelig er, er det vigtigt at huske definitionen af et metal.
definition af metaller
alle elementer kan findes under det periodiske system inklusive metaller, ikke-metaller og metalloider. Metaller defineres som” elementer, der danner positive ioner ved at miste elektroner under kemiske reaktioner ” (Blaber, 2015).
figur 3. Periodiske system viser alle elementer kategoriseret i metaller, ikke-metaller og metalloider.
tabel 1. Liste over typiske fysiske egenskaber af metaller.
fast ved stuetemperatur
hårdt
høj densitet
højt smeltepunkt
højt kogepunkt
formbar
duktil
skinnende
hvad gør metaller gode termiske ledere?
hvad der gør et metal til en god termisk leder er de fritflydende ledningselektroner.
figur 4. En metalblok, der opvarmes viser atomer og de fritflydende elektroner.
metalatomer kaster valenselektroner, når de kemisk reagerer med ikke-metalatomer, f.eks. Metalioner er således kationer i en vandig opløsning. Hvad der gør metaller og metallegeringer gode ledere er den specielle metalliske binding. I metalfaststoffer deler de bundne atomer deres valenselektroner og danner et hav af frit bevægelige ledningselektroner, der bærer både varme og elektrisk ladning. Så i modsætning til f.eks. elektroner i kovalente bindinger, kan valenselektronerne i et metal frit strømme gennem metallatterne og effektivt transportere varme uden at være låst til en individuel atomkerne.
matematisk modellering af termisk ledningsevne værdi (k)
termisk ledningsevne (k) måler en enheds evne til at lede varme (K).
høj k-værdi: Høj varmeledningsevne
figur 4. Et ark af materiale med termisk ledningsevne ligning.
givet:
k = varmeledningsevne (M/M•K),
energioverførsel (Joules/sekund),
Chartt = ændring i tid (sekunder),
chart = temperaturgradient (K),
A = areal af varmeledningsevne(m2),
Chart = materialetykkelse.
varmeledningsevne værdier for metaller og legeringer
følgende tabeller viser varmeledningsevne for et udvalg af metaller og legeringer ved stuetemperatur.
tabel 2. Liste over typiske fysiske egenskaber af metaller.
| 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.
anvendelser af almindelige metaller& legeringer i tabellen ovenfor
metaller og legeringer (materialer fremstillet af en kombination af metaller) har anvendelser som byggematerialer i forskellige brancher såsom elektronik, teknik, laboratorieudstyr, medicinsk udstyr, husholdsprodukter og konstruktion.
den højeste termiske ledningsevne værdi for metaller findes i sølv (-429 vægt/M•K), kobber (-398 vægt/m•K) og guld (-315 vægt/M•K).
metaller er meget vigtige i fremstilling af elektronik, da de er gode ledere af elektricitet. Kobber, aluminium, tin, bly, magnesium og plast bruges ofte til fremstilling af dele af telefoner, bærbare computere, computere og bilelektronik. Kobber er omkostningseffektivt og bruges til elektriske ledninger. Bly bruges til kabelbeklædning og fremstilling af batterier. Tin bruges til fremstilling af soldere. Magnesiumlegeringer anvendes til produktion af ny teknologi, da den er let. Plast bruges til at fremstille dele af elektronik, der ikke må lede elektricitet, og titanium bruges til at fremstille plast.
metaller er også vigtige i ingeniørbranchen. Aluminium bruges ofte til fremstilling af bilindustrien & plane dele og bruges som Legering, da dens rene form er svag. Automobile støbning er lavet af galvaniseret. Jern, stål og nikkel er almindelige metaller, der anvendes i byggeri og infrastruktur. Stål er en legering af jern og kulstof (og ofte andre elementer). Forøgelse af kulstofindholdet i stål skaber kulstofstål, hvilket gør materialet stærkere, men mindre duktilt. Kulstofstål bruges ofte i byggematerialer. Messing og kobber (kobberlegeret med henholdsvis galvanisk og tin) har gavnlige overfladefriktionsegenskaber og anvendes til låse & hængsler og rammer af døre & vinduer henholdsvis.
endelig er traditionelt lyspærefilamenter til fluorescerende lys lavet af tungsten. 5 % af strømmen omdannes til lys i en lyskilde som denne, resten af strømmen omdannes til varme. Moderne lyskilder er ofte baseret på LED-teknologi og halvledere.
afslutningsvis er den termiske ledningsevne af metal meget vigtig for at designe enhver struktur. Det er integreret for sikkerhed, effektivitet og nye innovationer inden for industrier. Dirigentelektronerne er mekanismen bag høj ledningsevne af metaller sammenlignet med ikke-metalmaterialer. Den termiske ledningsevne værdi (k) kan dog også variere meget blandt metaller.
Schroeder, D. V. (2018). En introduktion til termisk fysik. Indien: Pearson Indien Uddannelsestjenester.
Materialedatabase-termiske egenskaber. (n. d.). Hentet fra https://thermtest.com/materials-database
aluminiumlegeringer 101. (2020, 9.Marts). Hentet fra https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (n.D.). Conduction. Hentet fra https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, 3.juni). 9.2: metaller og ikke-metaller og deres ioner. Hentet fra 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
varmeledningsevne. (n. d.). Hentet fra http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
Titanium til plast. (n. d.). Hentet fra https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, A. (2020, 6.Marts). Hvad er kulstofstål? Hentet fra https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n.d.). Hentet fra http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
billeder
billede 1.A: Mohamed, M. (2019). Madlavning Dame . Hentet fra https://pxhere.com/en/photo/1584957.
billede 1.B: Mohamed, M. (2019). Kok Madlavning . Hentet fra https://pxhere.com/en/photo/1587003.
billede 2. Termometer . Hentet fra https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
forfatter: Selen Yildir | Junior teknisk forfatter / Thermtest