La conduttività termica misura la capacità di un materiale di consentire al calore di attraversarlo attraverso la conduttanza. La conduttività termica di un materiale come il metallo dipende fortemente dalla composizione e dalla struttura.
I metalli sono tipicamente noti per essere conduttori termici altamente efficienti.
Questo articolo esplorerà i meccanismi di trasferimento del calore, ciò che rende i metalli conduttori termici ideali, e gli usi dei metalli comuni& leghe.
L’importanza della conducibilità termica nella vita quotidiana
Immagine 1. A
Immagine 1. B
Immagine 1. A e B mostrano illustrazioni visive di individui in cucina facendo uso di forniture da cucina.
Cucinare è una parte della vita quotidiana per la maggior parte delle persone. Quindi, gli apparecchi di cottura sono progettati con l’incentivo di garantire la massima sicurezza ed efficienza. Ciò richiede una comprensione della fisica termica. C’è un motivo per cui l’elemento riscaldante di un tostapane è tipicamente costituito da fili di nichelcromo, cucchiai di miscelazione tendono ad essere in legno e la costruzione materiale dei guanti da forno non comporterebbe mai un composto metallico.
Definizione della temperatura & Conduzione termica
È necessario richiamare la definizione di temperatura per comprendere matematicamente la conduzione termica.
Definizione operativa di T:
La definizione operativa di temperatura è il valore misurato con un termometro che misura semplicemente l’espansione del volume di Mercurio.
Immagine 2. Illustrazione di due termometri in unità Celsius e Fahrenheit
Definizione fisica di T:
Nella fisica termica, la temperatura e la conduzione termica sono comprese attraverso lo studio del movimento delle molecole.
Schroeder, l’autore di ‘Introduzione alla fisica termica’ descrive matematicamente la temperatura come:
dove:
S=entropia,
U=energia,
N=numero di particelle,
V=volume del sistema (Schroeder, 2007).
Pertanto, la temperatura di un sistema dipende dall’entropia e dall’energia quando il numero di particelle e il volume di un sistema sono mantenuti costanti.
Schroeder afferma a parole: “La temperatura è una misura della tendenza di un oggetto a cedere spontaneamente energia all’ambiente circostante. Quando due oggetti sono in contatto termico, quello che tende a perdere spontaneamente energia è alla temperatura più alta ” (Schroeder, 2007). Questo perché i due oggetti in contatto cercheranno di raggiungere l’equilibrio termico; diventano la stessa temperatura.
Per visualizzare la temperatura e la conduzione termica a livello microscopico, le figure 1 A e B sono dimostrate di seguito. Immagina che un oggetto sconosciuto A e B siano in contatto fisico l’uno con l’altro. L’oggetto A ha una temperatura più alta dell’oggetto B. Cosa succederà alla temperatura per un periodo di tempo?
Figura 1. A
Figura 1.B
Figura 1.A illustra due oggetti sconosciuti in contatto fisico con l’altro, e Figura 1.B visualizza le molecole degli oggetti.
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.
A t0, gli atomi dell’oggetto A si muovono ad una velocità più veloce e gli atomi dell’oggetto B si muovono ad una velocità più lenta (TA> TB). Nel corso del tempo, l’oggetto A cede energia e l’oggetto B guadagna energia fino a quando non hanno la stessa temperatura (TA = TB) e raggiungono l’equilibrio termico. Questa è la conduzione termica descritta a livello molecolare. Gli atomi più vicini dell’oggetto A si scontrano con gli atomi dell’oggetto B. Gli atomi dell’oggetto B che hanno avuto l’interazione iniziale con gli atomi dell’oggetto A si scontrano con più atomi dell’oggetto B finché l’energia non viene trasferita attraverso tutti gli atomi dell’oggetto B.
Schroeder definisce la conduzione termica come ” trasferimento di calore per contatto molecolare: le molecole in rapido movimento si scontrano con molecole in movimento lento, rinunciando a parte della loro energia nel processo” (Schroeder, 2007).
Modalità di trasferimento del calore per metalli
È utile ricordare le tre modalità di trasferimento del calore; convezione per gas/liquidi, radiazione per oggetti separati da spazio vuoto e conduzione per oggetti a contatto diretto.
La conduzione termica è anche separata in tre categorie: collisioni molecolari per forme gas / liquide, vibrazioni reticolari per solidi ed elettroni di conduzione per metalli come mostrato in Figura 2. sotto.
Figura 2. Modalità di trasferimento di calore.
La conduzione termica dei metalli includerà collisioni molecolari + elettroni di conduzione per i metalli allo stato gassoso e vibrazioni reticolari + elettroni di conduzione per i metalli allo stato solido. Gli elettroni di conduzione sono essenzialmente ciò che rende un metallo un conduttore incredibile. Prima di spiegare cos’è realmente un elettrone di conduzione, è essenziale ricordare la definizione di un metallo.
Definizione dei metalli
Tutti gli elementi possono essere trovati sotto la tavola periodica inclusi metalli, Non metalli e Metalloidi. I metalli sono definiti come “elementi che formano ioni positivi perdendo elettroni durante le reazioni chimiche” (Blaber, 2015).
Figura 3. Tavola periodica che mostra tutti gli elementi classificati in metalli, Non metalli e metalloidi.
Tabella 1. Elenco delle proprietà fisiche tipiche dei metalli.
Solido a temperatura ambiente
Hard
ad Alta densità
ad Alto Punto di Fusione:
ad Alto Punto di Ebollizione
Malleabile
Duttile
Brillante
Ciò che Rende i Metalli Buoni Conduttori Termici?
Ciò che rende un metallo un buon conduttore termico sono gli elettroni di conduzione a flusso libero.
Figura 4. Un blocco di metallo che viene riscaldato visualizzando gli atomi e gli elettroni a flusso libero.
Gli atomi di metallo perdono elettroni di valenza quando reagiscono chimicamente con atomi non metallici, ad esempio formando ossidi e sali. Pertanto, gli ioni metallici sono cationi in una soluzione acquosa. Ciò che rende i metalli e le leghe metalliche buoni conduttori è lo speciale legame metallico. Nei solidi metallici, gli atomi legati condividono i loro elettroni di valenza, formando un mare di elettroni di conduzione liberamente in movimento che trasportano sia calore che carica elettrica. Quindi, a differenza degli elettroni nei legami covalenti, gli elettroni di valenza in un metallo possono fluire liberamente attraverso i latici metallici, trasportando in modo efficiente il calore senza essere bloccati a un singolo nucleo atomico.
Modellazione matematica del valore di conducibilità termica (k)
La conducibilità termica (k) misura la capacità di un’entità di condurre il calore (Q).
Alto valore k: Alta conducibilità termica
Figura 4. Un foglio di materiale con l’equazione di conducibilità termica.
Data:
k = conducibilità termica (W/m•K),
ΔQ = trasferimento di energia (Joule/secondo),
∆ T = variazione nel tempo (secondi),
∆ T = gradiente di temperatura (K),
A = area di conducibilità termica(m2),
Δx = spessore del materiale.
Valori di conducibilità termica per metalli e leghe
Le tabelle seguenti mostrano la conducibilità termica per una selezione di metalli e leghe a temperatura ambiente.
Tabella 2. Elenco delle proprietà fisiche tipiche dei metalli.
| 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.
Usi di metalli comuni & Leghe nella tabella sopra
I metalli e le leghe (materiali costituiti da una combinazione di metalli) hanno usi come materiali da costruzione in diversi settori come l’elettronica, l’ingegneria, le attrezzature di laboratorio, i dispositivi medici, i prodotti per la casa e la costruzione.
Il più alto valore di conducibilità termica per i metalli si trova in Argento (-429 W/m•K), Rame (-398 W/m•K) e oro (-315 W/m•K).
I metalli sono molto importanti nella produzione di elettronica in quanto sono buoni conduttori di elettricità. Rame, alluminio, stagno, piombo, magnesio e plastica sono spesso utilizzati nella produzione di parti di telefoni, laptop, computer e elettronica automobilistica. Il rame è conveniente e utilizzato per il cablaggio elettrico. Il piombo viene utilizzato per la guaina del cavo e la produzione di batterie. Lo stagno è usato per fare saldature. Le leghe di magnesio sono utilizzate nella produzione di nuove tecnologie in quanto sono leggere. La plastica viene utilizzata per realizzare parti di elettronica che non devono condurre elettricità e il titanio viene utilizzato per produrre plastica.
I metalli sono importanti anche nel settore dell’ingegneria. L’alluminio è spesso utilizzato nella produzione di parti piane automobilistiche & e utilizzato come lega poiché la sua forma pura è debole. La fusione automobilistica è fatta di zinco. Ferro, acciaio e nichel sono metalli comuni utilizzati nella costruzione e nelle infrastrutture. L’acciaio è una lega di ferro e carbonio (e spesso altri elementi). Aumentando il contenuto di carbonio in acciaio crea acciaio al carbonio, che rende il materiale più forte ma meno duttile. L’acciaio al carbonio è spesso utilizzato nei materiali da costruzione. Ottone e bronzo (rame legato con zinco e stagno, rispettivamente) hanno proprietà benefiche di attrito superficiale e sono utilizzati per serrature & cerniere e telai di porte & finestre rispettivamente.
Infine, tradizionalmente filamenti lampadina per luce fluorescente sono fatti di tungsteno. Tuttavia, questi vengono gradualmente eliminati poiché solo circa il 5% della potenza viene convertita in luce in una fonte di luce come questa, il resto della potenza viene convertito in calore. Le moderne sorgenti luminose sono spesso basate sulla tecnologia LED e sui semiconduttori.
In conclusione, la conduttività termica del metallo è molto importante per la progettazione di qualsiasi struttura. È integrale per la sicurezza, l’efficienza e le nuove innovazioni all’interno delle industrie. Gli elettroni conduttori sono il meccanismo dietro l’alta conduttività dei metalli rispetto ai materiali non metallici. Tuttavia, il valore di conducibilità termica (k) può variare notevolmente tra i metalli pure.
Schroeder, D. V. (2018). Introduzione alla fisica termica. India: Pearson India Servizi di istruzione.
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Immagini
Immagine 1.A: Mohamed, M. (2019). Signora della cucina . Estratto da https://pxhere.com/en/photo/1584957.
Immagine 1.B: Mohamed, M. (2019). Chef di cucina . Estratto da https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Immagine 2: Wikipedia. Termometro . Estratto dahttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Autore: Selen Yildir / Scrittore tecnico junior / Thermtest