conductivitatea termică măsoară capacitatea materialelor de a permite căldurii să treacă prin ea prin conductanță. Conductivitatea termică a unui material precum metalul depinde în mare măsură de compoziție și structură.
metalele sunt cunoscute ca fiind conductori termici foarte eficienți.
Acest articol va explora mecanismele de transfer de căldură, ceea ce face ca metalele conductoare termice ideale și utilizările metalelor comune& aliaje.
importanța conductivității termice în viața de zi cu zi
Imaginea 1. A
Imaginea 1. B
Imaginea 1. A și B prezintă ilustrații vizuale ale persoanelor din bucătărie folosind consumabile de bucătărie.
Gătitul este o parte a vieții de zi cu zi pentru majoritatea oamenilor. Prin urmare, aparatele de gătit sunt proiectate cu stimularea asigurării unei siguranțe și eficiențe maxime. Aceasta necesită o înțelegere a fizicii termice. Există un motiv pentru care elementul de încălzire al unui prăjitor de pâine este de obicei realizat din fire de nicrom, lingurile de amestecare tind să fie din lemn, iar construcția materială a mănușilor cuptorului nu ar implica niciodată un compus metalic.
definirea temperaturii& conducerea termică
este necesar să reamintim definiția temperaturii pentru a înțelege matematic conducerea termică.
definiția operațională a T:
definiția operațională a temperaturii este valoarea măsurată cu un termometru care măsoară pur și simplu expansiunea volumului de mercur.
Imaginea 2. Ilustrarea a două termometre în unități Celsius și Fahrenheit
definiția fizică a T:
în fizica termică, temperatura și conducerea termică sunt înțelese prin studierea mișcării moleculelor.Schroeder, autorul cărții Introducere în fizica termică, descrie matematic temperatura ca:
unde:
s=entropie,
U=energie,
N=numărul de particule,
V=Volumul sistemului (Schroeder, 2007).
prin urmare, temperatura unui sistem depinde de entropie și energie atunci când numărul de particule și volumul unui sistem sunt menținute constante.
Schroeder afirmă în cuvinte: „temperatura este o măsură a tendinței unui obiect de a renunța spontan la energie în împrejurimile sale. Când două obiecte sunt în contact termic, cel care tinde să piardă spontan energie este la temperatura mai ridicată” (Schroeder, 2007). Acest lucru se datorează faptului că cele două obiecte în contact vor încerca să atingă echilibrul termic; devin aceeași temperatură.
pentru a vizualiza temperatura și conducerea termică la nivel microscopic, Figurile 1 A și B sunt prezentate mai jos. Imaginați-vă că un obiect necunoscut A și B sunt în contact fizic unul cu celălalt. Obiectul A are o temperatură mai mare decât obiectul B. Ce se va întâmpla cu temperatura pe o durată de timp?
Figura 1. A
Figura 1.B
Figura 1.A ilustrează două obiecte necunoscute în contact fizic unul cu celălalt și Figura 1.B afișează moleculele obiectelor.
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.
la t0, atomii obiectului A se mișcă cu o viteză mai mare, iar atomii obiectului B se mișcă cu o viteză mai mică (TA> TB). În timp, obiectul a renunță la energie și obiectul B câștigă energie până când au aceeași temperatură (TA = TB) și ating echilibrul termic. Aceasta este conducerea termică descrisă la nivel molecular. Cei mai apropiați atomi ai obiectului a se lovesc de atomii obiectului B. atomii obiectului B care au avut interacțiunea inițială cu atomii obiectului a se ciocnesc de mai mulți atomi ai obiectului B până când energia este transferată prin toți atomii obiectului B.
Schroeder definește conducerea termică ca „transfer de căldură prin contact molecular: moleculele cu mișcare rapidă se ciocnesc de molecule cu mișcare lentă, renunțând la o parte din energia lor în acest proces” (Schroeder, 2007).
moduri de transfer de căldură pentru metale
este valoros să reamintim cele trei moduri de transfer de căldură; convecție pentru gaze / lichide, radiații pentru obiecte separate prin spațiu gol și conducție pentru obiecte în contact direct.
conducerea termică este, de asemenea, separată în trei categorii: coliziuni moleculare pentru formele gaz / lichid, vibrații de zăbrele pentru solide și electroni de conducere pentru metale așa cum se arată în Figura 2. mai jos.
Figura 2. Moduri de Transfer de căldură.
conducerea termică a metalelor va include coliziuni moleculare + electroni de conducere pentru metale în stare gazoasă și vibrații de rețea + electroni Conductori pentru metale în stare solidă. Electronii de conducere sunt, în esență, ceea ce face un metal un conductor incredibil. Înainte de a explica ce este cu adevărat un electron de conducere, este esențial să reamintim definiția unui metal.
definirea metalelor
toate elementele pot fi găsite în tabelul periodic, inclusiv metale, nemetale și metaloizi. Metalele sunt definite ca” elemente care formează ioni pozitivi prin pierderea de electroni în timpul reacțiilor chimice ” (Blaber, 2015).
Figura 3. Tabelul Periodic care prezintă toate elementele clasificate în metale, nemetale și metaloizi.
Tabelul 1. Lista proprietăților fizice tipice ale metalelor.
proprietățile fizice ale majorității metalelor
solide la temperatura camerei
greu
densitate mare
punct de topire ridicat
punct de fierbere ridicat
maleabil
lucios
ce face metalele conductoare termice bune?
ceea ce face un metal un bun conductor termic sunt electronii de conducere care curg liber.
Figura 4. Un bloc de metal, care este încălzit afișarea atomii și electronii care curg liber.
atomii de Metal elimină electroni de valență atunci când reacționează chimic cu atomii nemetalici, de exemplu formând oxizi și săruri. Astfel, ionii metalici sunt cationi într-o soluție apoasă. Ceea ce face ca metalele și aliajele metalice să fie conductori buni este lipirea metalică specială. În solidele metalice, atomii legați își împart electronii de valență, formând o mare de electroni de conducere în mișcare liberă, care transportă atât căldură, cât și sarcină electrică. Deci, spre deosebire de ex.electroni în legături covalente, electronii de valență dintr-un metal pot curge liber prin latexurile metalice, transportând eficient căldura fără a fi blocați la un nucleu atomic individual.
modelarea matematică a valorii conductivității termice (k)
conductivitatea termică (k) măsoară capacitatea unei entități de a conduce căldura (Q).
valoare mare k: Conductivitate termică ridicată
Figura 4. O foaie de material cu ecuația conductivității termice.
dat:
k = conductivitate termică (W/M•K),
hectolitri = transfer de energie (Jouli/secundă),
XVT = schimbare în timp (secunde),
gradient de temperatură (K),
A = aria conductivității termice(m2),
.
valorile conductivității termice pentru metale și aliaje
următoarele tabele afișează conductivitatea termică pentru o selecție de metale și aliaje la temperatura camerei.
Tabelul 2. Lista proprietăților fizice tipice ale metalelor.
| 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.
utilizări ale metalelor obișnuite& aliajele din tabelul de mai sus
metalele și aliajele (materiale realizate dintr-o combinație de metale) au utilizări ca materiale de construcție în diferite industrii, cum ar fi electronica, ingineria, echipamentele de laborator, dispozitivele medicale, produsele de uz casnic și construcțiile.
cea mai mare valoare a conductivității termice pentru metale se găsește în argint (-429 W/m•K), cupru (-398 W/M•K) și aur (-315 W / M•K).
metalele sunt foarte importante în fabricarea electronicii, deoarece sunt buni conductori ai electricității. Cuprul, aluminiu, staniu, plumb, magneziu și plastic sunt adesea folosite la fabricarea pieselor de telefoane, laptopuri, computere și electronice auto. Cuprul este rentabil și utilizat pentru cablarea electrică. Plumbul este utilizat pentru învelirea cablurilor și fabricarea bateriilor. Tin este utilizat pentru fabricarea lipitorilor. Aliajele de magneziu sunt utilizate în producția de noi tehnologii, deoarece sunt ușoare. Plasticul este utilizat pentru fabricarea pieselor electronice care nu trebuie să conducă electricitatea, iar titanul este utilizat pentru a produce plastic.
metalele sunt, de asemenea, importante în industria ingineriei. Aluminiu este adesea folosit în a face auto& piese plane și folosit ca un aliaj, deoarece forma sa pură este slab. Turnarea automobilelor este realizată din zinc. Fierul, oțelul și nichelul sunt metale comune utilizate în construcții și infrastructură. Oțelul este un aliaj de fier și carbon (și adesea alte elemente). Creșterea conținutului de carbon din oțel creează oțel carbon, ceea ce face materialul mai puternic, dar mai puțin ductil. Oțelul Carbon este adesea folosit în materialele de construcție. Alama și bronzul (cupru aliat cu zinc și, respectiv, staniu) au proprietăți benefice de frecare a suprafeței și sunt utilizate pentru încuietori & balamale și rame de uși & ferestre respectiv.
în cele din urmă, în mod tradițional filamente bec pentru lumina fluorescentă sunt realizate din tungsten. Cu toate acestea, acestea sunt eliminate treptat, deoarece doar aproximativ 5% din putere este convertită în lumină într-o sursă de lumină ca aceasta, restul puterii este convertit în căldură. Sursele moderne de lumină se bazează adesea pe tehnologia LED și pe semiconductori.în concluzie, conductivitatea termică a metalului este foarte importantă pentru proiectarea oricărei structuri. Este integrat pentru siguranță, eficiență și noi inovații în cadrul industriilor. Electronii conductori sunt mecanismul din spatele conductivității ridicate a metalelor în comparație cu materialele nemetalice. Cu toate acestea, valoarea conductivității termice (k) poate varia foarte mult și între metale.
Schroeder, D. V. (2018). O introducere în fizica termică. India: Servicii De Educație Pearson India.
baza de date materiale – Proprietăți termice. (n.d.). Adus de lahttps://thermtest.com/materials-database
aliaje de aluminiu 101. (2020, 9 martie). Adus de lahttps://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (n.d.). Conducție. Adus de la https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, 3 iunie). 9.2: metale și nemetale și ionii lor. Adus de la https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry _(Petrucci_et_al.) / 09: _the_periodic_table_și_some_atomic_properties/9.2:_metals_și_nonmetals_și_their_ions
conductivitate termică. (n.d.). Adus de lahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
dioxid de titan pentru materiale plastice. (n.d.). Adus de lahttps://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L.,& Joseph, A. (2020, 6 martie). Ce este oțelul Carbon? Adus de la https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n.d.). Adus de lahttp://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
imagini
imagine 1.A: Mohamed, M. (2019). Doamnă De Gătit . Adus de lahttps://pxhere.com/en/photo/1584957.
Imaginea 1.B: Mohamed, M. (2019). Bucătar De Gătit . Adus de la https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Imaginea 2: Wikipedia. Termometru . Adus de la https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
autor: Selen Yildir / Scriitor tehnic Junior / Thermtest