przewodność cieplna mierzy zdolność materiałów do przepuszczania przez nie ciepła poprzez przewodność. Przewodność cieplna materiału, takiego jak metal, jest w dużym stopniu zależna od składu i struktury.
metale są zwykle znane jako wysoce wydajne przewody cieplne.
w tym artykule omówimy mechanizmy wymiany ciepła, co sprawia, że metale są idealnymi przewodnikami cieplnymi i zastosowania zwykłych metali& stopów.
Znaczenie przewodności cieplnej w życiu codziennym
Zdjęcie 1. A
Zdjęcie 1. B
Zdjęcie 1. A i B pokazują wizualne ilustracje osób w kuchni korzystających z akcesoriów kuchennych.
gotowanie jest dla większości ludzi częścią codziennego życia. Dlatego urządzenia do gotowania są projektowane z zachętą do zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa i wydajności. Wymaga to zrozumienia fizyki termicznej. Jest powód, dla którego element grzejny tostera jest zwykle wykonany z drutów nichromowych, łyżki do mieszania są zwykle drewniane, a materiałowa konstrukcja rękawic kuchennych nigdy nie wiązałaby się z metalową mieszanką.
Definiowanie temperatury& Przewodnictwo Cieplne
aby matematycznie zrozumieć przewodnictwo cieplne, konieczne jest przypomnienie definicji temperatury.
definicja operacyjna T:
operacyjną definicją temperatury jest wartość zmierzona termometrem, który po prostu mierzy ekspansję objętości Rtęci.
Zdjęcie 2. Ilustracja dwóch termometrów w jednostkach Celsjusza i Fahrenheita
Fizyka definicja T:
w fizyce cieplnej temperatura i przewodnictwo cieplne są rozumiane poprzez badanie ruchu cząsteczek.
Schroeder, autor „wstępu do fizyki termicznej” opisuje temperaturę matematycznie jako:
gdzie:
S=Entropia,
U=energia,
n=liczba cząstek,
V=objętość układu (Schroeder, 2007).
dlatego temperatura układu jest zależna od entropii i energii, gdy liczba cząstek i objętość układu jest utrzymywana na stałym poziomie.
Schroeder stwierdza słowami: „temperatura jest miarą skłonności obiektu do spontanicznego oddawania energii swojemu otoczeniu. Kiedy dwa obiekty są w kontakcie termicznym, ten, który ma tendencję do spontanicznej utraty energii, znajduje się w wyższej temperaturze” (Schroeder, 2007). Dzieje się tak dlatego, że dwa stykające się ze sobą obiekty będą próbowały osiągnąć równowagę termiczną; staną się tą samą temperaturą.
aby zobrazować temperaturę i przewodnictwo cieplne na poziomie mikroskopowym, Rysunek 1 A i B przedstawiono poniżej. Wyobraź sobie, że nieznany obiekt A i B mają ze sobą fizyczny kontakt. Obiekt A ma wyższą temperaturę niż obiekt B. Co stanie się z temperaturą przez pewien czas?
Rysunek 1. A
Rysunek 1.B
Rysunek 1.A ilustruje dwa nieznane obiekty w fizycznym kontakcie ze sobą, oraz Rysunek 1.B wyświetla cząsteczki obiektów.
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.
w T0 Atomy obiektu a poruszają się z większą prędkością, a Atomy obiektu B poruszają się z mniejszą prędkością (TA> TB). Z czasem obiekt a rezygnuje z energii, a obiekt B zyskuje energię, dopóki nie osiągnie tej samej temperatury (TA = TB) i nie osiągnie równowagi termicznej. Jest to przewodnictwo cieplne opisane na poziomie molekularnym. Najbliższe Atomy obiektu a wpadają w Atomy obiektu B. Atomy obiektu B, które miały początkową interakcję z atomami obiektu a, wpadają w więcej atomów obiektu B, dopóki energia nie zostanie przeniesiona przez wszystkie atomy obiektu B.
Schroeder definiuje Przewodnictwo Cieplne jako „przenoszenie ciepła przez kontakt molekularny: szybko poruszające się cząsteczki wpadają w wolno poruszające się cząsteczki, rezygnując z części swojej energii w procesie” (Schroeder, 2007).
tryby wymiany ciepła dla metali
warto przypomnieć trzy tryby wymiany ciepła; konwekcja dla gazów/cieczy, promieniowanie dla obiektów oddzielonych pustą przestrzenią i przewodzenie dla obiektów w bezpośrednim kontakcie.
przewodzenie ciepła jest również podzielone na trzy kategorie: zderzenia cząsteczkowe dla form gazu / cieczy, drgania sieciowe dla ciał stałych i elektrony przewodnictwa dla metali, jak pokazano na rysunku 2. poniżej.
Rysunek 2. Tryby wymiany ciepła.
Przewodnictwo Cieplne metali obejmie zderzenia molekularne + elektrony przewodnictwa dla metali w stanie gazowym i drgania sieciowe + elektrony przewodzenia dla metali w stanie stałym. Elektrony przewodnictwa są zasadniczo tym, co sprawia, że metal jest niesamowitym przewodnikiem. Przed wyjaśnieniem, czym tak naprawdę jest elektron przewodnictwa, konieczne jest przypomnienie definicji metalu.
Definiowanie metali
wszystkie pierwiastki można znaleźć w układzie okresowym, w tym Metale, niemetale i Metaloidy. Metale są definiowane jako” pierwiastki, które tworzą jony dodatnie przez utratę elektronów podczas reakcji chemicznych ” (Blaber, 2015).
Rysunek 3. Układ okresowy przedstawiający wszystkie pierwiastki podzielone na metale, niemetale i Metaloidy.
Tabela 1. Lista typowych właściwości fizycznych metali.
ciało stałe w temperaturze pokojowej
twarde
Wysoka gęstość
wysoka temperatura topnienia
wysoka temperatura wrzenia
ciągliwe
ciągliwe
błyszczące
co sprawia, że metale są dobrymi przewodnikami cieplnymi?
to, co sprawia, że metal jest dobrym przewodnikiem cieplnym, to swobodne elektrony przewodzenia.
Rysunek 4. Metalowy blok, który jest podgrzewany wyświetlając atomy i swobodnie płynące elektrony.
Atomy metali uwalniają elektrony walencyjne, gdy reagują chemicznie z atomami niemetalicznymi, np. tworząc tlenki i sole. Tak więc jony metali są kationami w roztworze wodnym. To, co sprawia, że metale i stopy metali są dobrymi przewodnikami, to specjalne Wiązanie metaliczne. W stałych metali, połączone Atomy dzielą swoje elektrony walencyjne, tworząc morze swobodnie poruszających się elektronów przewodzenia, które przenoszą zarówno ciepło, jak i ładunek elektryczny. Tak więc, w przeciwieństwie np. elektrony w wiązaniach kowalencyjnych, elektrony walencyjne w metalu mogą swobodnie przepływać przez lateksy metalu, skutecznie przenosząc ciepło bez zablokowania do pojedynczego jądra atomowego.
Matematyczne Modelowanie wartości przewodności cieplnej (k)
przewodność cieplna (k) mierzy zdolność jednostki do przewodzenia ciepła (Q).
wysoka wartość k: Wysoka przewodność cieplna
Rysunek 4. Arkusz materiału z równaniem przewodności cieplnej.
Podane:
K = przewodność cieplna (W/m•K),
ΔQ = transfer energii (dżule/sekundę),
Δt = zmiana czasu (sekundy),
ΔT = gradient temperatury (K),
a = powierzchnia przewodności cieplnej(m2),
Δx = grubość warstwy Materiał.
wartości przewodności cieplnej dla metali i stopów
poniższe tabele przedstawiają przewodność cieplną dla wybranych metali i stopów w temperaturze pokojowej.
Lista typowych właściwości fizycznych metali.
| 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.
zastosowania zwykłych metali& stopy w powyższej tabeli
Metale i stopy (materiały Wykonane z kombinacji metali) mają zastosowanie jako materiały budowlane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak Elektronika, Inżynieria, Sprzęt laboratoryjny, urządzenia medyczne, produkty gospodarstwa domowego i budownictwo.
najwyższa wartość przewodności cieplnej metali znajduje się w srebrze (-429 W / m * K), miedzi (-398 W/M•K) i złocie (-315 W/M•K).
metale są bardzo ważne w produkcji elektroniki, ponieważ są dobrymi przewodnikami elektryczności. Miedź, aluminium, cyna, ołów, magnez i plastik są często używane do produkcji części telefonów, laptopów, komputerów i elektroniki samochodowej. Miedź jest ekonomiczna i używana do okablowania elektrycznego. Ołów służy do poszycia kabli i produkcji baterii. Cyna służy do wytwarzania lutów. Stopy magnezu są wykorzystywane w produkcji nowych technologii, ponieważ są lekkie. Plastik jest używany do wytwarzania części elektroniki, które nie mogą przewodzić elektryczności, a tytan jest używany do produkcji plastiku.
metale są również ważne w przemyśle inżynieryjnym. Aluminium jest często używane w produkcji części samochodowych& I używane jako stop, ponieważ jego czysta forma jest słaba. Odlew samochodowy wykonany jest z cynku. Żelazo, stal i nikiel są powszechnie stosowanymi metalami w budownictwie i infrastrukturze. Stal jest stopem żelaza i węgla (i często innych pierwiastków). Zwiększenie zawartości węgla w stali tworzy stal węglową, co sprawia, że materiał jest mocniejszy, ale mniej plastyczny. Stal węglowa jest często stosowana w materiałach budowlanych. Mosiądz i brąz (odpowiednio stop miedzi z cynkiem i cyną) mają korzystne właściwości tarcia powierzchniowego i są stosowane odpowiednio do zamków & zawiasów i ościeżnic drzwi & okien.
wreszcie tradycyjnie żarówki do świetlówek wykonane są z wolframu. Jednak są one stopniowo wycofywane, ponieważ tylko około 5% mocy jest zamieniane na światło w takim źródle światła, reszta mocy jest zamieniana na ciepło. Nowoczesne źródła światła są często oparte na technologii LED i półprzewodnikach.
podsumowując, przewodność cieplna metalu jest bardzo ważna dla projektowania dowolnej struktury. Jest integralną częścią bezpieczeństwa,wydajności i nowych innowacji w przemyśle. Elektrony przewodnika są mechanizmem wysokiej przewodności metali w porównaniu z materiałami niemetalowymi. Jednak wartość przewodności cieplnej (k)może się znacznie różnić między metalami.
Schroeder, D. V. (2018). Wprowadzenie do fizyki termicznej. Indie: Pearson India Education Services.
baza materiałów-właściwości termiczne. (n. d.). Źródło:https://thermtest.com/materials-database
stopy aluminium 101. (2020, 9 marca). Źródło: https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (N. d.). Przewodzenie. Źródło:https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, czerwiec 3). 9.2: Metale i niemetale oraz ich jony. Pobrano z 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
przewodność cieplna. (n. d.). Źródło:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
dwutlenek tytanu do tworzyw sztucznych. (n. d.). Źródło:https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L.,& Joseph, A. (2020, Marzec 6). Co To jest stal węglowa? Źródło: https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(n. d.). Źródło: http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
Zdjęcia
Zdjęcie 1.A: Mohamed, M. (2019). Pani Od Gotowania . Pobrano z https://pxhere.com/en/photo/1584957.
zdjęcie 1.B: Mohamed, M. (2019). Kucharz Gotuje . Pobrano z https://pxhere.com/en/photo/1587003.
Zdjęcie 2: Wikipedia. Termometr . Źródło:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Autor: Selen Yildir / Junior Technical Writer / Thermtest