lämmönjohtavuus mittaa materiaalien kykyä sallia lämmön kulkea sen läpi konduktanssin kautta. Materiaalin kuten metallin lämmönjohtavuus riippuu suuresti koostumuksesta ja rakenteesta.
Metallit tunnetaan tyypillisesti erittäin tehokkaina lämpöjohtimina.
tässä artikkelissa tutkitaan lämmönsiirron mekanismeja, mikä tekee metalleista ihanteellisia lämpöjohtimia sekä tavallisten metallien käyttötapoja & seokset.
lämmönjohtavuuden merkitys jokapäiväisessä elämässä
kuva 1. A
kuva 1. B
kuva 1. A ja B näyttävät visuaalisia kuvia yksilöistä keittiössä hyödyntäen keittiötarvikkeita.
Ruuanlaitto kuuluu useimmille arkeen. Siksi keittolaitteet on suunniteltu siten, että ne takaavat maksimaalisen turvallisuuden ja tehokkuuden. Tämä edellyttää lämpöfysiikan ymmärtämistä. On syy, miksi leivänpaahtimen lämmityselementti on tyypillisesti tehty nichrome-langoista, sekoituslusikat ovat yleensä puisia ja uunikintaiden materiaalirakenteeseen ei koskaan liittyisi metalliyhdistettä.
lämpötilan määrittely & Lämpöjohtuminen
on tarpeen muistaa lämpötilan määritelmä termisen johtumisen ymmärtämiseksi matemaattisesti.
T: n operatiivinen määritelmä:
lämpötilan toiminnallinen määritelmä on lämpömittarilla mitattu arvo, joka mittaa yksinkertaisesti elohopean tilavuuden laajenemista.
kuva 2. Havainnekuva kahdesta Celsius-ja Fahrenheit-yksiköstä
fysiikan määritelmä T:
lämpöfysiikassa lämpötila ja lämpöjohtuminen ymmärretään molekyylien liikettä tutkimalla.
Schroeder, ”Introduction to Thermal Physics” – teoksen kirjoittaja kuvaa lämpötilaa matemaattisesti seuraavasti:
where:
s=entropia,
U=energia,
n=hiukkasten lukumäärä,
V=systeemin tilavuus (Schroeder, 2007).
systeemin lämpötila on siis riippuvainen entropiasta ja energiasta, kun hiukkasmäärä ja systeemin tilavuus pidetään vakiona.
Schroeder toteaa sanoin: ”lämpötila on mitta, jolla kappale pyrkii spontaanisti luovuttamaan energiaa ympäristöönsä. Kun kaksi kohdetta on lämpökontaktissa, se, jolla on taipumus spontaanisti menettää energiaa, on korkeammassa lämpötilassa ” (Schroeder, 2007). Tämä johtuu siitä, että kaksi kappaletta kosketuksissa yrittää saavuttaa terminen tasapaino; tulee sama lämpötila.
lämpötilan ja lämmön johtumisen havainnollistamiseksi mikroskooppisella tasolla alla on esitetty Kuvat 1 A ja B. Kuvitelkaa, että tuntematon kappale A ja B ovat fyysisessä kosketuksessa toisiinsa. Kohteessa A on korkeampi lämpötila kuin kohteessa B. Mitä lämpötilalle tapahtuu ajan kuluessa?
kuva 1. A
kuva 1.B
kuva 1.A kuvaa kahta tuntematonta kohdetta, jotka ovat fyysisessä kosketuksessa keskenään, ja kuvaa 1.B näyttää kappaleiden molekyylit.
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.
T0: ssä kappaleen A atomit liikkuvat nopeammin ja kappaleen B atomit hitaammin (TA > TB). Ajan myötä kappale A luovuttaa energiaa ja kappale B saa energiaa, kunnes ne ovat samassa lämpötilassa (TA = TB) ja saavuttavat termisen tasapainon. Tämä on molekyylitasolla kuvattu lämpöjohtuminen. Kappaleen A lähimmät atomit törmäävät kappaleen b atomeihin. kappaleen b atomit, joilla oli ensimmäinen vuorovaikutus kohteen a atomien kanssa, törmäävät useampiin kappaleen b atomeihin, kunnes energia siirtyy kappaleen B kaikkien atomien läpi.
Schroeder määrittelee termisen johtumisen ”lämmön siirtämiseksi molekyylikontaktin avulla: nopeasti liikkuvat molekyylit törmäävät hitaasti liikkuviin molekyyleihin luovuttaen osan energiastaan prosessissa” (Schroeder, 2007).
metallien Lämmönsiirtomuodot
on arvokasta muistaa kolme lämmönsiirtomuotoa; kaasujen / nesteiden konvektio, tyhjän tilan erottamien esineiden säteily ja suorassa kosketuksessa olevien esineiden johtuminen.
Lämpöjohtuminen on myös jaettu kolmeen luokkaan: kaasun ja nesteen molekyylitörmäykset, kiinteiden aineiden hilavärinä ja metallien johtoelektronit kuvassa 2 esitetyllä tavalla. alla.
kuva 2. Lämmönsiirtomoodit.
metallien Lämpöjohtuminen sisältää molekyylitörmäykset + johtoelektronit kaasutilassa oleville metalleille ja hilavärähdykset + johtavat elektronit kiinteässä tilassa oleville metalleille. Johtoelektronit ovat pohjimmiltaan se, mikä tekee metallista uskomattoman johtimen. Ennen kuin selitetään, mikä johtumiselektroni todella on, on tärkeää palauttaa mieliin metallin määritelmä.
määrittelevät Metallit
jaksollisesta järjestelmästä löytyvät kaikki alkuaineet mukaan lukien metallit, epämetallit ja Metalloidit. Metallit määritellään ”alkuaineiksi, jotka muodostavat positiivisia ioneja menettämällä elektroneja kemiallisten reaktioiden aikana” (Blaber, 2015).
kuva 3. Jaksollinen järjestelmä, jossa esitetään kaikki alkuaineet, jotka on luokiteltu metalleihin, Epämetalleihin ja Metalloideihin.
Taulukko 1. Luettelo metallien tyypillisistä fysikaalisista ominaisuuksista.
kiinteä huoneenlämpöinen
kova
korkea sulamispiste
korkea kiehumispiste
muovautuva
taipuisa
taipuisa
kiiltävä
mikä tekee metalleista hyviä lämpöjohtimia?
se, mikä tekee metallista hyvän lämpöjohtimen, ovat vapaasti virtaavat johtoelektronit.
kuva 4. Metallilohkare, joka kuumenee ja jossa näkyvät atomit ja vapaasti virtaavat elektronit.
Metalliatomit irrottavat valenssielektroneja reagoidessaan kemiallisesti ei-metalliatomien kanssa, esimerkiksi muodostaen oksideja ja suoloja. Näin ollen metalli-ionit ovat kationeja vesiliuoksessa. Mikä tekee metalleista ja metalliseoksista hyviä johtimia on erityinen metallinen liimaus. Metallikiinteistöissä sidotut atomit jakavat valenssielektroninsa muodostaen meren vapaasti liikkuvia johtoelektroneja, jotka kuljettavat sekä lämpöä että sähkövarausta. Toisin kuin esimerkiksi kovalenttisissa sidoksissa olevat elektronit, metallin valenssielektronit voivat siis vapaasti virrata metallilastien läpi kuljettaen tehokkaasti lämpöä ilman, että ne lukittuvat yksittäiseen atomiytimeen.
Lämmönjohtavuusarvon (k) matemaattinen mallintaminen
lämmönjohtavuus (K) mittaa olion kykyä johtaa lämpöä (Q).
suuri k-arvo: Korkea lämmönjohtavuus
kuva 4. Arkki materiaalia lämmönjohtavuus yhtälö.
annettu:
k = lämmönjohtavuus (W/m•k),
ΔQ = energian siirto (Joules/sekunti),
Δt = ajan muutos (sekuntia),
ΔT = lämpötilagradientti (K),
a = lämmönjohtavuuden pinta-ala(m2),
Δx = materiaalin paksuus.
metallien ja seosten Lämmönjohtavuusarvot
seuraavissa taulukoissa on esitetty useiden metallien ja seosten lämmönjohtavuus huoneenlämmössä.
Taulukko 2. Luettelo metallien tyypillisistä fysikaalisista ominaisuuksista.
| 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.
tavallisten metallien käyttötavat & seokset yllä olevassa taulukossa
metallit ja seokset (metalliyhdistelmästä valmistetut materiaalit) ovat käyttötarkoituksia rakennusmateriaaleina eri teollisuudenaloilla, kuten elektroniikassa, koneenrakennuksessa, laboratoriolaitteissa, lääkinnällisissä laitteissa, pitotuotteissa ja rakentamisessa.
metallien korkein lämmönjohtavuusarvo on hopeassa (-429 W/m•K), kuparissa (-398 W/m•K) ja kullassa (-315 W / m•K).
metallit ovat erittäin tärkeitä elektroniikan valmistuksessa, sillä ne ovat hyviä sähkön johtimia. Kuparia, alumiinia, tinaa, lyijyä, magnesiumia ja muovia käytetään usein puhelimien, kannettavien tietokoneiden, tietokoneiden ja autoelektroniikan osien valmistuksessa. Kupari on kustannustehokasta ja sitä käytetään sähköjohdoissa. Lyijyä käytetään Kaapelien kuorintaan ja akkujen valmistukseen. Tinaa käytetään juotosten valmistukseen. Magnesiumseoksia käytetään uuden teknologian valmistuksessa, koska se on kevyttä. Muovista valmistetaan elektroniikan osia, jotka eivät saa johtaa sähköä ja titaanista valmistetaan muovia.
metallit ovat tärkeitä myös konepajateollisuudessa. Alumiinia käytetään usein autojen & tasoosien valmistuksessa ja sitä käytetään seoksena, koska sen puhdas muoto on heikko. Auton valu on valmistettu sinkistä. Rauta, teräs ja nikkeli ovat yleisiä metalleja, joita käytetään rakentamisessa ja infrastruktuurissa. Teräs on raudan ja hiilen (ja usein muidenkin alkuaineiden) seos. Teräksen hiilipitoisuuden lisääminen luo hiiliterästä, mikä tekee materiaalista vahvempaa mutta vähemmän sitkeää. Rakennusmateriaaleissa käytetään usein hiiliterästä. Messingillä ja pronssilla (sinkillä ja tinalla seostettu kupari) on hyödyllisiä pintakitkaominaisuuksia, ja niitä käytetään lukkoihin & saranat ja ovien karmit & ikkunat.
lopuksi perinteisesti loisteputkivalaisimien hehkulangat on valmistettu volframista. Näistä ollaan kuitenkin luopumassa, sillä tällaisessa valonlähteessä vain noin 5% tehosta muunnetaan valoksi, loput tehosta muunnetaan lämmöksi. Nykyaikaiset valonlähteet perustuvat usein LED-tekniikkaan ja puolijohtimiin.
yhteenvetona voidaan todeta, että metallin lämmönjohtavuus on erittäin tärkeää minkä tahansa rakenteen suunnittelussa. Se on olennainen osa turvallisuutta, tehokkuutta ja uusia innovaatioita teollisuudenaloilla. Johtimen elektronit ovat mekanismi, joka takaa metallien korkean johtavuuden verrattuna ei-metallisiin materiaaleihin. Lämmönjohtavuusarvo (k) voi kuitenkin vaihdella suuresti myös metallien välillä.
Schroeder, D. V. (2018). Johdatus lämpöfysiikkaan. Intia: Pearson India Education Services.
materiaalitietokanta-lämpöominaisuudet. (synt. Retrieved from https://thermtest.com/materials-database
alumiiniseokset 101. (2020, 9. maaliskuuta). Retrieved from https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (nyk. Johtuminen. Retrieved from https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, 3.kesäkuuta). 9.2: metallit ja epämetallit sekä niiden ionit. Retrieved from 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
lämmönjohtavuus. (synt. Haettu http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
titaanidioksidi muoveille. (synt. Retrieved from https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, A. (2020, 6.maaliskuuta). Mikä on hiiliteräs? Retrieved from https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n.d.). Haettu http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
Images
Image 1.V: Mohamed, M. (2019). Kokkinainen . Retrieved from https://pxhere.com/en/photo/1584957.
kuva 1.B: Mohamed, M. (2019). Kokki Kokkaa . Retrieved from https://pxhere.com/en/photo/1587003.
kuva 2: Wikipedia. Lämpömittari . Retrieved from https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
tekijä: Selen Yildir / Junior Technical Writer / Thermtest