Thermal conductivity measures a materials ability to allow heat to pass through it via conductance. A condutividade térmica de um material como o metal é altamente dependente da composição e estrutura.
metais são tipicamente conhecidos por serem condutores térmicos altamente eficientes.este artigo explorará os mecanismos de transferência de calor, o que faz dos metais condutores térmicos ideais, e os usos de metais comuns.
The Importance of Thermal Conductivity in Everyday Life
Image 1. A
Imagem 1. B
Imagem 1. A E B mostram ilustrações visuais de indivíduos na cozinha fazendo uso de suprimentos de cozinha.
cozinhar é uma parte da vida cotidiana para a maioria das pessoas. Assim, os aparelhos de cozinha são projetados com o incentivo de garantir a máxima segurança e eficiência. Isto requer uma compreensão da Física Térmica. Há uma razão pela qual o elemento de aquecimento de uma torradeira é tipicamente feito de fios de Nicrómio, colheres de mistura tendem a ser de madeira e o material de construção de luvas de forno nunca envolveria um composto metálico.
definição da temperatura & Condução Térmica
é necessário recordar a definição de temperatura para compreender matematicamente a condução térmica.definição operacional de T:
A definição operacional de temperatura é o valor medido com um termómetro que simplesmente mede a expansão do volume de mercúrio.
Image 2. Ilustração de dois termômetros em unidades Celsius e Fahrenheit
definição física de T:
em Física térmica, temperatura e condução térmica são entendidos através do estudo do movimento das moléculas.Schroeder, autor de “Introduction to Thermal Physics”, descreve matematicamente a temperatura como::
onde:
S=entropia,
U=energia,
N=número de partículas,
V=volume do sistema (Schroeder, 2007).
portanto, a temperatura de um sistema é dependente de entropia e energia quando o número de partículas e o volume de um sistema é mantido constante.Schroeder afirma em palavras: “temperatura é uma medida da tendência de um objeto a entregar espontaneamente energia ao seu entorno. Quando dois objetos estão em contato térmico, o que tende a perder energia espontaneamente está na temperatura mais alta ” (Schroeder, 2007). Isto porque os dois objetos em contato tentarão alcançar o equilíbrio térmico; tornar-se-ão a mesma temperatura.para visualizar a temperatura e a condução térmica a um nível microscópico, as figuras 1 A E B são demonstradas abaixo. Imagine que um objeto desconhecido A E B estão em contato físico um com o outro. O objeto A tem uma temperatura mais alta do que o objeto B. O que vai acontecer com a temperatura ao longo de um período de tempo?
Figura 1. A
Figura 1.B
Figura 1.A ilustra dois objetos desconhecidos em contato físico um com o outro, e Figura 1.B exibe as moléculas dos objetos.
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.
At t0, the atoms of object a are moving at a faster speed, and atoms of object B are moving at a slower speed (TA > TB). Ao longo do tempo, o objeto a desiste de energia e o objeto B ganha energia até que eles sejam a mesma temperatura (TA = TB) e atinjam o equilíbrio térmico. Isto é Condução Térmica descrita a nível molecular. Os átomos mais próximos do objecto a chocam com os átomos do objecto B. Os átomos do objecto B que tiveram a interacção inicial com os átomos do objecto a chocam com mais átomos do objecto B até que a energia seja transferida através de todos os átomos do objecto B.
Schroeder define Condução Térmica como “transferência de calor por contato molecular: moléculas em movimento rápido chocam com moléculas em movimento lento, desistindo de alguma de sua energia no processo” (Schroeder, 2007).
Modes of Heat Transfer for Metals
it is valuable to recall the three modes of heat transfer; convection for gases / liquids, radiation for objects separated by empty space and conduction for objects in direct contact.a condução térmica é também separada em três categorias.: colisões moleculares para formas gás/líquido, vibrações da rede para sólidos e electrões de condução para metais, conforme indicado na Figura 2. abaixo.
Figura 2. Modos de transferência de calor.
condução térmica de Metais inclui colisões moleculares + electrões de condução de metais no estado gasoso, e vibrações de retículos + condutores de electrões de metais no estado sólido. Elétrons de condução são essencialmente o que faz de um metal um condutor incrível. Antes de explicar o que um elétron de condução realmente é, é essencial recordar a definição de um metal.
definindo Metais
todos os elementos podem ser encontrados sob a tabela periódica, incluindo metais, não-metais e metalóides. Metais são definidos como” elementos que formam íons positivos, perdendo elétrons durante reações químicas ” (Blaber, 2015).
Figura 3. Tabela periódica mostrando todos os elementos categorizados em metais, não-metais e metalóides.
Quadro 1. Lista das propriedades físicas típicas dos metais.
Sólido à temperatura ambiente
Hard
de Alta densidade
Alto Ponto de Fusão
Alto Ponto de Ebulição
Maleável
Dúctil
Brilhante
o Que Faz Metais Bons Condutores Térmicos?
O Que Faz de um metal um bom condutor térmico são os electrões de condução de fluxo livre.
Figura 4. Um bloco de metal que é aquecido exibindo os átomos e os elétrons livres fluindo.os átomos de Metal libertam electrões de Valência quando reagem quimicamente com átomos não metálicos, por exemplo, formando óxidos e sais. Assim, íons metálicos são catiões em uma solução aquosa. O que faz metais e ligas metálicas bons condutores é a ligação metálica especial. Em sólidos metálicos, os átomos ligados partilham os seus electrões de Valência, formando um mar de electrões de condução em movimento livre que carregam tanto calor como carga eléctrica. Assim, ao contrário, por exemplo, dos elétrons em ligações covalentes, os elétrons de Valência em um metal podem fluir livremente através dos latícios metálicos, transportando eficientemente calor sem ser preso a um núcleo atômico individual.
Modelação Matemática do valor da condutividade térmica (k)
condutividade térmica (k) mede a capacidade de uma entidade conduzir calor (Q).
valor k elevado: Alta condutividade térmica
Figura 4. Uma folha de material com a equação de condutividade térmica.
Dado:
k = condutividade térmica (W/m•K),
ΔQ = transferência de energia (Joules/segundo),
Δt = variação no tempo (segundos),
ΔT = gradiente de temperatura (K),
A = área de condutividade térmica(m2),
Δx = espessura do material.os quadros seguintes mostram a condutividade térmica para uma selecção de metais e ligas à temperatura ambiente.
Quadro 2. Lista das propriedades físicas típicas dos metais.
| 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.
Usos de Metais Comuns, & Ligas na tabela acima
de Metais e ligas (materiais feitos de uma combinação de metais) têm utiliza como materiais de construção em diferentes indústrias como a eletrônica, a engenharia, equipamentos de laboratório, equipamentos médicos, casa-manter os produtos, e de construção.
O maior valor de condutividade térmica para metais são encontrados em prata (-429 W/M•K), cobre (-398 W/M•K) e Ouro (-315 W/M•K).
os metais são altamente importantes na fabricação de eletrônicos como eles são bons condutores de eletricidade. Cobre, alumínio, estanho, chumbo, magnésio e plástico são muitas vezes utilizados na fabricação de peças de telefones, laptops, computadores e eletrônica automotiva. O cobre é eficiente em termos de custos e utilizado para a instalação eléctrica. Chumbo é usado para a bainha de cabos e fazer baterias. O estanho é usado para fazer soldas. As ligas de magnésio são utilizadas na produção de novas tecnologias por serem leves. O plástico é usado para fazer peças de eletrônicos que não devem conduzir a eletricidade e o titânio é usado para produzir plástico.os metais também são importantes na indústria de engenharia. O alumínio é muitas vezes usado na fabricação de peças planas para automóveis & e usado como uma liga, uma vez que sua forma pura é fraca. A fundição de automóveis é feita de zinco. Ferro, aço e níquel são metais comuns utilizados na construção e infra-estrutura. O aço é uma liga de ferro e carbono (e muitas vezes outros elementos). Aumentar o teor de carbono no aço cria aço de carbono, o que torna o material mais forte, mas menos dúctil. O aço carbono é frequentemente utilizado em materiais de construção. Latão e bronze (cobre ligado com zinco e estanho, respectivamente) têm propriedades benéficas de atrito superficial e são utilizados para fechaduras & dobradiças e armações de portas & janelas, respectivamente.por último, tradicionalmente, os filamentos de lâmpadas para a luz fluorescente são feitos de tungsténio. No entanto, estes estão sendo eliminados gradualmente uma vez que apenas cerca de 5% da energia é convertida em luz em uma fonte de luz como esta, o resto da energia é convertida em calor. Fontes de luz modernas são muitas vezes baseadas em tecnologia LED e semi-condutores.em conclusão, a condutividade térmica do metal é muito importante para a concepção de qualquer estrutura. É essencial para a segurança, eficiência e novas inovações nas indústrias. Os elétrons condutores são o mecanismo por trás da alta condutividade dos metais em comparação com materiais não-metálicos. No entanto, o valor de condutividade térmica (k) pode variar muito entre os metais também.
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Images
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Image 2: Wikipedia. Termometro . Retrieved from https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
Author: Selen Yildir / Junior Technical Writer / Thermtest