thermische geleidbaarheid meet een materiaal vermogen om warmte te laten passeren door het via geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid van een materiaal zoals metaal is sterk afhankelijk van samenstelling en structuur.
metalen zijn doorgaans zeer efficiënte warmtegeleiders.
Dit artikel zal de mechanismen van warmteoverdracht onderzoeken, wat metalen ideale warmtegeleiders maakt, en het gebruik van gewone metalen & legeringen.
het belang van thermische geleidbaarheid in het dagelijks leven
Afbeelding 1. A
Afbeelding 1. B
Afbeelding 1. A en B tonen visuele illustraties van individuen in de keuken die gebruik maken van keukenbenodigdheden.
koken is een onderdeel van het dagelijks leven voor de meeste mensen. Daarom zijn kooktoestellen ontworpen met de stimulans om maximale veiligheid en efficiëntie te garanderen. Dit vereist een begrip van Thermische Fysica. Er is een reden waarom het verwarmingselement van een broodrooster is meestal gemaakt van nichrome-draden, menglepels hebben de neiging om houten zijn en de materiaalconstructie van ovenwanten zou nooit een metalen verbinding te betrekken.
Defining Temperature & Thermische Geleiding
Het is noodzakelijk om de definitie van temperatuur te herinneren om thermische geleiding wiskundig te begrijpen.
Operationele definitie van T:
De Operationele definitie van temperatuur is de waarde die wordt gemeten met een thermometer die eenvoudig de volumeuitbreiding van kwik meet.
Afbeelding 2. Illustratie van twee thermometers in Celsius-en Fahrenheit-eenheden
fysica definitie van T:
in de Thermische Fysica worden temperatuur en warmtegeleiding begrepen door het bestuderen van de beweging van moleculen.
Schroeder, de auteur van “Introduction to Thermal Physics” beschrijft de temperatuur wiskundig als:
waarbij:
S=entropie,
U=energie,
N=aantal deeltjes,
V=volume van het systeem (Schroeder, 2007).
daarom is de temperatuur van een systeem afhankelijk van entropie en energie wanneer het aantal deeltjes en het volume van een systeem constant worden gehouden.
Schroeder stelt in woorden: “temperatuur is een maat voor de neiging van een object om spontaan energie op te geven aan zijn omgeving. Wanneer twee objecten in thermisch contact zijn, is degene die spontaan energie verliest bij de hogere temperatuur ” (Schroeder, 2007). Dit komt omdat de twee objecten in contact zullen proberen om thermisch evenwicht te bereiken; worden dezelfde temperatuur.
om de temperatuur en de warmtegeleiding op microscopisch niveau te visualiseren worden figuur 1 A en B hieronder getoond. Stel je voor dat een onbekend object A en B fysiek met elkaar in contact zijn. Object A heeft een hogere temperatuur dan object B. Wat gebeurt er met de temperatuur over een bepaalde tijd?
figuur 1. A
figuur 1.B
figuur 1.A illustreert twee onbekende objecten in fysiek contact met elkaar, en Figuur 1.B toont de moleculen van de objecten.
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.
bij t0 bewegen de atomen van object A met een hogere snelheid, en atomen van object B met een lagere snelheid (TA > TB). Na verloop van tijd geeft object A energie op en object B krijgt energie totdat ze dezelfde temperatuur hebben (TA = TB) en thermisch evenwicht bereiken. Dit is thermische geleiding beschreven op moleculair niveau. De dichtstbijzijnde atomen van object a stoten in atomen van object B. de atomen van object B die de eerste interactie met atomen van object hadden een hobbel in meer atomen van object B totdat energie wordt overgedragen door alle atomen van object B.
Schroeder definieert Thermische Geleiding als “overdracht van warmte door moleculair contact: snel bewegende moleculen botsen tegen langzaam bewegende moleculen, waardoor een deel van hun energie in het proces wordt opgegeven” (Schroeder, 2007).
wijzen van warmteoverdracht voor metalen
Het is nuttig om de Drie Wijzen van warmteoverdracht te herinneren: convectie voor gassen / vloeistoffen, straling voor objecten gescheiden door lege ruimte en geleiding voor objecten in direct contact.
thermische geleiding is ook onderverdeeld in drie categorieën: moleculaire botsingen voor gas / vloeibare vormen, roostertrillingen voor vaste stoffen en geleidingselektronen voor metalen zoals weergegeven in Figuur 2. hieronder.
Figuur 2. Wijze van warmteoverdracht.
thermische geleiding van metalen omvat moleculaire botsingen + geleidingselektronen voor metalen in gastoestand, en roostertrillingen + geleidingselektronen voor metalen in vaste toestand. Geleidingselektronen zijn in wezen wat een metaal een ongelooflijke geleider maakt. Alvorens uit te leggen wat een geleidingselektrontje werkelijk is, is het essentieel om de definitie van een metaal te herinneren.
Defining Metals
alle elementen zijn te vinden in het periodiek systeem, inclusief metalen, niet-metalen en metalloïden. Metalen worden gedefinieerd als “elementen die positieve ionen vormen door elektronen te verliezen tijdens chemische reacties” (Blaber, 2015).
Figuur 3. Periodiek systeem met alle elementen gecategoriseerd in metalen, niet-metalen en metalloïden.
Tabel 1. Lijst van typische fysische eigenschappen van metalen.
vast bij kamertemperatuur
Hard
hoge dichtheid
hoog smeltpunt
hoog kookpunt
Smeedbaar
nodulair
glanzend
wat maakt metalen goede thermische geleiders?
wat van een metaal een goede thermische geleider maakt, zijn de vrijstromende geleidingselektronen.
Figuur 4. Een verhit metaalblok dat de atomen en de vrij stromende elektronen weergeeft.
metaalatomen werpen valentie-elektronen af wanneer zij chemisch reageren met niet-metaalatomen, bijvoorbeeld door oxiden en zouten te vormen. Metaalionen zijn dus kationen in een waterige oplossing. Wat metalen en metaallegeringen goede geleiders maakt, is de speciale metaalbinding. In metaal vaste stoffen, delen de gebonden atomen hun valentie-elektronen, die een zee van vrij bewegende geleidingselektronen vormen die zowel warmte als elektrische lading dragen. Dus, in tegenstelling tot bijvoorbeeld elektronen in covalente bindingen, kunnen de valentie-elektronen in een metaal vrij door de metaal latices stromen, efficiënt warmte dragen zonder te worden vergrendeld aan een individuele atoomkern.
wiskundige modellering van de Warmtegeleidingswaarde (k)
warmtegeleidingsvermogen (k) meet het vermogen van een entiteit om warmte te geleiden (Q).
hoge K-waarde: Hoge thermische geleidbaarheid
Figuur 4. Een vel materiaal met de thermische geleidbaarheidvergelijking.
gegeven:
k = warmtegeleidingsvermogen (W•m * K),
ΔQ = energieoverdracht (Joule / seconde),
Δt = verandering in tijd (seconden),
ΔT = temperatuurgradiënt (K),
A = oppervlakte warmtegeleidingsvermogen(m2),
Δx = dikte van materiaal.
Warmtegeleidingswaarden voor metalen en legeringen
de volgende tabellen geven de warmtegeleidingswaarden voor een selectie van metalen en legeringen bij kamertemperatuur weer.
Tabel 2. Lijst van typische fysische eigenschappen van metalen.
| 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.
gebruik van gewone metalen & legeringen in bovenstaande tabel
metalen en legeringen (materialen gemaakt van een combinatie van metalen) worden gebruikt als bouwmaterialen in verschillende industrieën zoals elektronica, engineering, laboratoriumapparatuur, medische hulpmiddelen, huishoudproducten en de bouw.
de hoogste warmtegeleidingswaarde voor metalen wordt gevonden in zilver (-429 W/M•K), koper (-398 W/M•K) en goud (-315 W/M•K).
metalen zijn van groot belang bij het maken van elektronica, omdat zij goede geleiders van elektriciteit zijn. Koper, aluminium, tin, lood, magnesium en plastic worden vaak gebruikt bij het maken van onderdelen van telefoons, laptops, computers en automotive elektronica. Koper is kostenefficiënt en wordt gebruikt voor elektrische bedrading. Lood wordt gebruikt voor kabelommanteling en het maken van batterijen. Tin wordt gebruikt voor het maken van soldeer. Magnesiumlegeringen worden gebruikt bij de productie van nieuwe technologie omdat het lichtgewicht is. Plastic wordt gebruikt voor het maken van onderdelen van elektronica die geen elektriciteit mogen geleiden en titanium wordt gebruikt om plastic te produceren.
metalen zijn ook belangrijk in de machinebouwindustrie. Aluminium wordt vaak gebruikt bij het maken van auto-onderdelen & vlakdelen en wordt gebruikt als een legering omdat de zuivere vorm zwak is. Auto gieten is gemaakt van zink. Ijzer, staal en nikkel zijn gebruikelijke metalen die worden gebruikt in de bouw en infrastructuur. Staal is een legering van ijzer en koolstof (en vaak andere elementen). Het verhogen van het koolstofgehalte in staal creëert koolstofstaal, waardoor het materiaal sterker maar minder nodulair wordt. Koolstofstaal wordt vaak gebruikt in bouwmaterialen. Messing en brons (koper gelegeerd met respectievelijk zink en tin) hebben gunstige oppervlaktewrijvingseigenschappen en worden gebruikt voor sloten & scharnieren en kozijnen van deuren & ramen respectievelijk.
ten slotte zijn traditioneel gloeilampfilamenten voor fluorescerend licht gemaakt van wolfraam. Echter, deze worden uitgefaseerd omdat slechts ongeveer 5 % van het vermogen wordt omgezet in licht in een lichtbron als deze, de rest van het vermogen wordt omgezet in warmte. Moderne lichtbronnen zijn vaak gebaseerd op LED-technologie en halfgeleiders.
concluderend is de thermische geleidbaarheid van metaal zeer belangrijk voor het ontwerpen van een structuur. Het is integraal voor de veiligheid, efficiëntie en nieuwe innovaties binnen industrieën. De geleiderelektronen zijn het mechanisme achter hoge geleidbaarheid van metalen in vergelijking met niet-metalen materialen. De warmtegeleidingswaarde (k) kan echter ook sterk variëren tussen metalen.
Schroeder, D. V. (2018). Een introductie tot Thermische Fysica. India: Pearson India Education Services.
Materials Database-thermische eigenschappen. (n. d.). Opgehaald uit https://thermtest.com/materials-database
aluminiumlegeringen 101. (2020, 9 maart). Opgehaald uit https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (n. d.). Geleiding. Opgehaald uit https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, 3 juni). 9.2: metalen en niet-metalen en hun ionen. Opgehaald uit 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
thermische geleidbaarheid. (n. d.). Verkregen uit http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
titaandioxide voor kunststoffen. (n. d.). Opgehaald uit https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, A. (2020, 6 maart). Wat is koolstofstaal? Opgehaald uit https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n.d.). Opgehaald uit http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
afbeeldingen
afbeelding 1.A: Mohamed, M. (2019). Kookvrouw . Opgehaald uit https://pxhere.com/en/photo/1584957.
afbeelding 1.B: Mohamed, M. (2019). Chef Koken . Opgehaald uit https://pxhere.com/en/photo/1587003.
afbeelding 2: Wikipedia. Thermometer . Opgehaald uit https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
auteur: Selen Yildir / Junior Technical Writer / Thermtest