Termisk ledningsevne måler en materials evne til å tillate varme å passere gjennom den via konduktans. Den termiske ledningsevnen til et materiale som metall er svært avhengig av sammensetning og struktur.
Metaller er vanligvis kjent for å være svært effektive termiske ledere.
denne artikkelen vil utforske mekanismene for varmeoverføring, hva som gjør metaller ideelle termiske ledere, og bruk av vanlige metaller & legeringer.
Betydningen Av Termisk Ledningsevne i Hverdagen
Bilde 1. A
Bilde 1. B
Bilde 1. A og B viser visuelle illustrasjoner av personer på kjøkkenet ved hjelp av kjøkkenutstyr.
Matlaging er en del av hverdagen for de fleste. Derfor er kokeapparater designet med incitament til å sikre maksimal sikkerhet og effektivitet. Dette krever en forståelse av termisk fysikk. Det er en grunn til at varmeelementet i en brødrister vanligvis er laget av nichrome-ledninger, blandeskjeer pleier å være tre og materialkonstruksjonen av ovnsvotter aldri ville innebære en metallforbindelse.
Definere Temperatur & Termisk Ledning
det er nødvendig å huske definisjonen av temperatur for å forstå termisk ledning matematisk.
Operativ definisjon Av T:
den operative definisjonen av temperatur er verdien målt med et termometer som bare måler utvidelsen av Kvikksølvvolumet.
Bilde 2. Illustrasjon av To termometre I Celsius og Fahrenheit enheter
Fysikk definisjon Av T:
i termisk fysikk forstås temperatur og termisk ledning gjennom å studere bevegelsen av molekyler.Schroeder, forfatteren Av ‘Introduksjon Til Termisk Fysikk’ beskriver temperatur matematisk som:
hvor:
S = entropi,
U = energi,
N = antall partikler,
V = volum av systemet (Schroeder, 2007).derfor er temperaturen i et system avhengig av entropi og energi når antall partikler og volumet av et system holdes konstant.Schroeder sier i ord: «Temperatur er et mål på en objekts tendens til spontant å gi opp energi til omgivelsene. Når to objekter er i termisk kontakt, er den som har en tendens til å spontant miste energi ved høyere temperatur «(Schroeder, 2007). Dette skyldes at de to objektene i kontakt vil forsøke å nå termisk likevekt; bli den samme temperaturen.
for å visualisere temperatur og termisk ledning på et mikroskopisk nivå Figur 1 A Og B er vist nedenfor. Tenk deg at et ukjent objekt A Og B er i fysisk kontakt med hverandre. Objekt A har en høyere temperatur Enn objekt B. Hva vil skje med temperaturen over en tidsperiode?
Figur 1. A
Figur 1.B
Figur 1.A illustrerer to ukjente objekter i fysisk kontakt med hverandre, Og Figur 1.B viser molekylene til objektene.
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 beveger atomer av objekt A seg raskere, og atomer av objekt B beveger seg med lavere hastighet (TA > TB). Over tid gir objekt A opp energi og objekt B får energi til de er samme temperatur (TA = TB) og når termisk likevekt. Dette er termisk ledning beskrevet på molekylært nivå. De nærmeste atomer av objekt a støter inn i atomer av objekt B. atomene i objekt B som hadde den første interaksjonen Med atomer av objekt A støter inn i flere atomer av objekt B til energi overføres gjennom alle atomer av objekt B.Schroeder definerer Termisk Ledning som «overføring av varme ved molekylær kontakt: raskt bevegelige molekyler støter på sakte bevegelige molekyler, og gir opp noe av sin energi i prosessen» (Schroeder, 2007).
Modi For Varmeoverføring For Metaller
det er verdifullt å huske de tre modiene for varmeoverføring; konveksjon for gasser / væsker, stråling for gjenstander skilt av tomt rom og ledning for gjenstander i direkte kontakt.
Termisk ledning er også delt inn i tre kategorier: molekylære kollisjoner for gass / flytende former, gittervibrasjoner for faste stoffer og ledningselektroner for metaller som vist i Figur 2. nedenfor.
Figur 2. Moduser Av Varmeoverføring.Termisk Ledning av metaller vil inkludere molekylære kollisjoner + ledningselektroner for metaller i gassform, og gittervibrasjoner + ledende elektroner for metaller i fast tilstand. Ledningselektroner er i hovedsak det som gjør et metall til en utrolig leder. Før du forklarer hva en ledningselektron egentlig er, er det viktig å huske definisjonen av et metall.
Definere Metaller
alle elementer kan bli funnet under periodesystemet Inkludert Metaller, Ikke-metaller og Metalloider. Metaller er definert som «elementer som danner positive ioner ved å miste elektroner under kjemiske reaksjoner» (Blaber, 2015).
Figur 3. Periodisk tabell som viser alle elementer kategorisert I Metaller, Ikke-metaller og Metalloider.
Tabell 1. Liste over typiske fysiske egenskaper Av Metaller.
Fast stoff ved romtemperatur
Hard
Høy Tetthet
Høyt Smeltepunkt
Høy Kokepunkt
Formbar
Duktil
Skinnende
hva gjør metaller gode termiske ledere?
det som gjør et metall til en god termisk leder er de frittflytende ledningselektronene.
Figur 4. En metallblokk som varmes opp viser atomene og frittflytende elektroner.Metallatomer kaster valenselektroner når de kjemisk reagerer med ikke-metallatomer, f. eks. danner oksider og salter. Således er metallioner kationer i en vandig løsning. Det som gjør metaller og metalllegeringer gode ledere er den spesielle metalliske bindingen. I metall faste stoffer deler de bundet atomer sine valenselektroner, danner et hav av fritt bevegelige ledningselektroner som bærer både varme og elektrisk ladning. Elektroner i kovalente bindinger, kan valenselektronene i et metall fritt strømme gjennom metalllatene, og effektivt bære varme uten å være låst til en individuell atomkjerne.
Matematisk Modellering Av Termisk Ledningsevne Verdi (k)
Termisk ledningsevne (k) måler en enhets evne til å lede varme (Q).
Høy k-verdi: Høy termisk ledningsevne
Figur 4. Et ark med materiale med termisk ledningsevne ligningen.
Gitt:
K = varmeledningsevne (W/m•K),
Δ = energioverføring (Joules/sekund),
Δ = endring i tid (sekunder),
Δ = temperaturgradient (K),
A = område med varmeledningsevne (m2),
Δx = materialtykkelse.
Varmeledningsevne For Metaller og Legeringer
følgende tabeller viser varmeledningsevne for et utvalg av metaller og legeringer Ved Romtemperatur.
Tabell 2. Liste over typiske fysiske egenskaper Av 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.
Bruk Av Vanlige Metaller & Legeringer i tabellen ovenfor
Metaller og legeringer (materialer laget av en kombinasjon av metaller) har bruksområder som byggematerialer i ulike bransjer som elektronikk, engineering, laboratorieutstyr, medisinsk utstyr, hus-hold produkter, og konstruksjon.den høyeste varmeledningsevnen for metaller finnes I Sølv (-429 W / m•K), Kobber (-398 W/m•K) Og Gull (-315 W/m•K).
Metaller er svært viktig i å lage elektronikk som de er gode ledere av elektrisitet. Kobber, aluminium, tinn, bly, magnesium og plast brukes ofte til å lage deler av telefoner, bærbare datamaskiner, datamaskiner og bilelektronikk. Kobber er kostnadseffektivt og brukes til elektriske ledninger. Bly brukes for kabel vindsperre og gjør batterier. Tinn brukes til å lage soldater. Magnesium legeringer brukes i produksjon av ny teknologi som det er lett. Plast brukes til å lage deler av elektronikk som ikke må lede strøm og titan brukes til å produsere plast.
Metaller er også viktige i ingeniørindustrien. Aluminium er ofte brukt i å lage automotive & plane deler og brukes som en legering siden ren form er svak. Bilstøping er laget av sink. Jern, stål og nikkel er vanlige metaller som brukes i konstruksjon og infrastruktur. Stål er en legering av jern og karbon (og ofte andre elementer). Å øke karboninnholdet i stål skaper karbonstål, noe som gjør materialet sterkere, men mindre duktilt. Karbonstål brukes ofte i byggematerialer. Messing og bronse (kobber legert med sink og tinn, henholdsvis) har gunstige overflatefriksjonsegenskaper og brukes til låser & hengsler og rammer av dører & vinduer henholdsvis.
til slutt, tradisjonelt lyspære filamenter for fluorescerende lys er laget av wolfram. Imidlertid blir disse faset ut siden bare ca 5 % av strømmen omdannes til lys i en lyskilde som dette, resten av strømmen omdannes til varme. Moderne lyskilder er ofte basert PÅ LED-teknologi og halvledere.
til slutt er termisk ledningsevne av metall svært viktig for å designe enhver struktur. Det er integrert for sikkerhet, effektivitet og nye innovasjoner innen bransjer. Lederelektronene er mekanismen bak høy ledningsevne av metaller i forhold til ikke-metallmaterialer. Termisk ledningsevne (k) kan imidlertid variere sterkt blant metaller også.
Schroeder, D. V. (2018). En introduksjon til termisk fysikk. India: Pearson India Utdanning Tjenester.
Materialdatabase-Termiske Egenskaper. (n.d.). Hentet frahttps://thermtest.com/materials-database
Aluminiumlegeringer 101. (2020, 9. Mars). Hentet frahttps://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (n.d.). Ledning. Hentet frahttps://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
Termisk Ledningsevne. (n.d.). Hentet frahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
Titandioksid For Plast. (n.d.). Hentet fra https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, A. (2020, Mars 6). Hva Er Karbonstål? Hentet fra https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n.d.). Hentet fra http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
Bilder
Bilde 1.A: Mohamed, M. (2019). Matlaging Dame . Hentet fra https://pxhere.com/en/photo/1584957.
Bilde 1.B: Mohamed, M. (2019). Kokk Matlaging . Hentet fra https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Bilde 2: Wikipedia. Termometer . Hentet frahttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Forfatter: Selen Yildir | Junior Teknisk Forfatter / Termtest