Die Wärmeleitfähigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Wärme über die Leitfähigkeit hindurchtreten zu lassen. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials wie Metall hängt stark von Zusammensetzung und Struktur ab.Metalle sind typischerweise als hocheffiziente Wärmeleiter bekannt.
In diesem Artikel werden die Mechanismen der Wärmeübertragung untersucht, was Metalle zu idealen Wärmeleitern macht und die Verwendung von gewöhnlichen Metallen & Legierungen.
Die Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit im Alltag
Bild 1. A
Bild 1. B
Bild 1. A und B zeigen visuelle Illustrationen von Personen in der Küche, die Küchenbedarf verwenden.
Kochen gehört für die meisten Menschen zum Alltag. Daher sind Kochgeräte mit dem Ziel konzipiert, maximale Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Dies erfordert ein Verständnis der thermischen Physik. Es gibt einen Grund, warum das Heizelement eines Toasters typischerweise aus Nichromdrähten besteht, Rührlöffel sind in der Regel aus Holz und die Materialkonstruktion von Ofenhandschuhen würde niemals eine Metallverbindung beinhalten.
Temperatur definieren & Wärmeleitung
Es ist notwendig, sich an die Definition der Temperatur zu erinnern, um die Wärmeleitung mathematisch zu verstehen.
Operative Definition von T:
Die betriebliche Definition der Temperatur ist der mit einem Thermometer gemessene Wert, der einfach die Ausdehnung des Quecksilbervolumens misst.
Bild 2. Darstellung von zwei Thermometern in Celsius- und Fahrenheit-Einheiten
Physik Definition von T:
In der thermischen Physik werden Temperatur und Wärmeleitung durch Untersuchung der Bewegung von Molekülen verstanden.Schroeder, der Autor von ‚Introduction to Thermal Physics‘ beschreibt Temperatur mathematisch als:
wobei:
S=Entropie,
U=Energie,
N=Anzahl der Teilchen,
V=Volumen des Systems (Schroeder, 2007).
Daher ist die Temperatur eines Systems von Entropie und Energie abhängig, wenn die Anzahl der Partikel und das Volumen eines Systems konstant gehalten werden.Schroeder sagt in Worten: „Die Temperatur ist ein Maß für die Tendenz eines Objekts, spontan Energie an seine Umgebung abzugeben. Wenn zwei Objekte in thermischem Kontakt stehen, ist derjenige, der dazu neigt, spontan Energie zu verlieren, bei der höheren Temperatur“ (Schroeder, 2007). Dies liegt daran, dass die beiden Objekte in Kontakt versuchen, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen. werde die gleiche Temperatur.
Um Temperatur und Wärmeleitung auf mikroskopischer Ebene zu visualisieren, sind unten Abbildung 1 A und B gezeigt. Stellen Sie sich vor, dass ein unbekanntes Objekt A und B in physischem Kontakt miteinander stehen. Objekt A hat eine höhere Temperatur als Objekt B. Was passiert mit der Temperatur über einen bestimmten Zeitraum?
Abbildung 1. A
Abbildung 1.B
Abbildung 1.A zeigt zwei unbekannte Objekte in physischem Kontakt miteinander, und Abbildung 1.B zeigt die Moleküle der Objekte an.
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.
Bei t0 bewegen sich die Atome von Objekt A schneller und die Atome von Objekt B langsamer (TA > TB). Im Laufe der Zeit gibt Objekt A Energie ab und Objekt B gewinnt Energie, bis sie die gleiche Temperatur (TA = TB) haben und das thermische Gleichgewicht erreichen. Dies ist die Wärmeleitung, die auf molekularer Ebene beschrieben wird. Die nächsten Atome von Objekt A stoßen auf Atome von Objekt B. Die Atome von Objekt B, die die anfängliche Wechselwirkung mit Atomen von Objekt A hatten, stoßen auf mehr Atome von Objekt B, bis Energie durch alle Atome von Objekt B übertragen wird.Schroeder definiert Wärmeleitung als „Wärmeübertragung durch molekularen Kontakt: Sich schnell bewegende Moleküle stoßen auf sich langsam bewegende Moleküle und geben dabei einen Teil ihrer Energie auf“ (Schroeder, 2007).
Modi der Wärmeübertragung für Metalle
Es ist wertvoll, sich an die drei Modi der Wärmeübertragung zu erinnern; Konvektion für Gase / Flüssigkeiten, Strahlung für Objekte, die durch leeren Raum getrennt sind, und Leitung für Objekte in direktem Kontakt.
Die Wärmeleitung ist ebenfalls in drei Kategorien unterteilt: Molekülkollisionen für Gas- / Flüssigkeitsformen, Gitterschwingungen für Feststoffe und Leitungselektronen für Metalle wie in Abbildung 2 dargestellt. unten.
Abbildung 2. Modi der Wärmeübertragung.
Die Wärmeleitung von Metallen umfasst Molekülkollisionen + Leitungselektronen für Metalle im Gaszustand und Gitterschwingungen + leitende Elektronen für Metalle im Festkörperzustand. Leitungselektronen sind im Wesentlichen das, was ein Metall zu einem unglaublichen Leiter macht. Bevor erklärt wird, was ein Leitungselektron wirklich ist, ist es wichtig, sich an die Definition eines Metalls zu erinnern.
Metalle definieren
Alle Elemente sind im Periodensystem enthalten, einschließlich Metalle, Nichtmetalle und Metalloide. Metalle sind definiert als „Elemente, die positive Ionen bilden, indem sie bei chemischen Reaktionen Elektronen verlieren“ (Blaber, 2015).
Abbildung 3. Periodensystem zeigt alle Elemente in Metalle, Nichtmetalle und Metalloide eingeteilt.
Tabelle 1. Liste der typischen physikalischen Eigenschaften von Metallen.
Fest bei Raumtemperatur
Hart
Hohe Dichte
Hoher Schmelzpunkt
Hoher Siedepunkt
Formbar
Duktil
Glänzend
Was macht Metalle zu guten Wärmeleitern?
Was ein Metall zu einem guten Wärmeleiter macht, sind die frei fließenden Leitungselektronen.
Abbildung 4. Ein Metallblock, der erhitzt wird, um die Atome und die frei fließenden Elektronen anzuzeigen.
Metallatome werfen Valenzelektronen ab, wenn sie chemisch mit Nichtmetallatomen reagieren, z. B. Oxide und Salze bilden. Metallionen sind also Kationen in einer wässrigen Lösung. Was Metalle und Metalllegierungen zu guten Leitern macht, ist die spezielle metallische Verbindung. In Metallkörpern teilen sich die gebundenen Atome ihre Valenzelektronen und bilden ein Meer frei beweglicher Leitungselektronen, die sowohl Wärme als auch elektrische Ladung tragen. Im Gegensatz zu Elektronen in kovalenten Bindungen können die Valenzelektronen in einem Metall also frei durch die Metalllatices fließen und Wärme effizient transportieren, ohne an einen einzelnen Atomkern gebunden zu sein.
Mathematische Modellierung des Wärmeleitfähigkeitswerts (k)
Die Wärmeleitfähigkeit (k) misst die Fähigkeit einer Entität, Wärme zu leiten (Q).
Hoher k-Wert: Hohe Wärmeleitfähigkeit
Abbildung 4. Eine Materialbahn mit der Wärmeleitfähigkeitsgleichung.
Gegeben:
k = Wärmeleitfähigkeit (W/m•K),
ΔQ = Energieübertragung (Joule/Sekunde),
Δt = Zeitänderung (Sekunden),
ΔT = Temperaturgradient (K),
A = Wärmeleitfähigkeitsfläche(m2),
Δx = Materialdicke.
Wärmeleitfähigkeitswerte für Metalle und Legierungen
Die folgenden Tabellen zeigen die Wärmeleitfähigkeit für eine Auswahl von Metallen und Legierungen bei Raumtemperatur.
Tabelle 2. Liste der typischen physikalischen Eigenschaften von Metallen.
| 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.
Verwendung von gewöhnlichen Metallen & Legierungen in der obigen Tabelle
Metalle und Legierungen (Materialien aus einer Kombination von Metallen) werden als Baumaterialien in verschiedenen Branchen wie Elektronik, Maschinenbau, Laborgeräte, medizinische Geräte, Haushaltsprodukte und Bauwesen verwendet.
Der höchste Wärmeleitfähigkeitswert für Metalle findet sich in Silber (-429 W/m•K), Kupfer (-398 W/m•K) und Gold (-315 W/m•K).Metalle sind sehr wichtig bei der Herstellung von Elektronik, da sie gute elektrische Leiter sind. Kupfer, Aluminium, Zinn, Blei, Magnesium und Kunststoff werden häufig zur Herstellung von Teilen von Telefonen, Laptops, Computern und Automobilelektronik verwendet. Kupfer ist kostengünstig und wird für die elektrische Verdrahtung verwendet. Blei wird zum Ummanteln von Kabeln und zur Herstellung von Batterien verwendet. Zinn wird zur Herstellung von Loten verwendet. Magnesiumlegierungen werden bei der Herstellung neuer Technologien verwendet, da sie leicht sind. Kunststoff wird zur Herstellung von Teilen der Elektronik verwendet, die keinen Strom leiten dürfen, und Titan wird zur Herstellung von Kunststoff verwendet.
Metalle sind auch in der Maschinenbauindustrie wichtig. Aluminium wird oft bei der Herstellung von Automobil & Flugzeugteilen verwendet und als Legierung verwendet, da seine reine Form schwach ist. Automobilguss besteht aus Zink. Eisen, Stahl und Nickel sind übliche Metalle, die im Bauwesen und in der Infrastruktur verwendet werden. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff (und oft anderen Elementen). Durch Erhöhen des Kohlenstoffgehalts in Stahl entsteht Kohlenstoffstahl, der das Material stärker, aber weniger duktil macht. Kohlenstoffstahl wird häufig in Baustoffen verwendet. Messing und Bronze (Kupfer mit Zink bzw. Zinn legiert) haben vorteilhafte Oberflächenreibungseigenschaften und werden für Schlösser & Scharniere und Rahmen von Türen & Fenster verwendet.
Schließlich werden traditionell Glühlampenfilamente für Fluoreszenzlicht aus Wolfram hergestellt. Diese werden jedoch schrittweise eingestellt, da nur etwa 5% der Leistung in einer solchen Lichtquelle in Licht umgewandelt werden, der Rest der Leistung wird in Wärme umgewandelt. Moderne Lichtquellen basieren häufig auf LED-Technologie und Halbleitern.
Zusammenfassend ist die Wärmeleitfähigkeit von Metall für die Gestaltung jeder Struktur sehr wichtig. Es ist für die Sicherheit, die Leistungsfähigkeit und die neuen Innovationen innerhalb der Industrien integral. Die Leiterelektronen sind der Mechanismus hinter der hohen Leitfähigkeit von Metallen im Vergleich zu nichtmetallischen Materialien. Der Wärmeleitfähigkeitswert (k) kann jedoch auch bei Metallen stark variieren.
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Images
Image 1.EIN: Mohamed, M. (2019). Kochen Dame . Abgerufen von https://pxhere.com/en/photo/1584957 .
Bild 1.B: Mohamed, M. (2019). Koch Kochen . Abgerufen von https://pxhere.com/en/photo/1587003 .
Bild 2: Wikipedia. Thermometer . Abgerufen von https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Autor: Selen Yildir / Junior Technischer Redakteur / Thermtest