värmeledningsförmåga mäter en materialförmåga att tillåta värme att passera genom den via konduktans. Värmeledningsförmågan hos ett material såsom metall är starkt beroende av sammansättning och struktur.
metaller är vanligtvis kända för att vara mycket effektiva termiska ledare.
denna artikel kommer att undersöka mekanismerna för värmeöverföring, vad som gör metaller idealiska värmeledare och användningar av vanliga metaller & legeringar.
betydelsen av värmeledningsförmåga i vardagen
bild 1. A
bild 1. B
bild 1. A och B visar visuella illustrationer av individer i köket som använder sig av köksartiklar.
matlagning är en del av vardagen för de flesta. Därför är matlagningsapparater utformade med incitamentet att säkerställa maximal säkerhet och effektivitet. Detta kräver en förståelse för termisk fysik. Det finns en anledning till att värmeelementet i en brödrost vanligtvis är gjord av nikrom-ledningar, blandningsskedar tenderar att vara trä och materialkonstruktionen av ugnsvantar skulle aldrig innebära en metallförening.
definiera temperatur & termisk ledning
det är nödvändigt att återkalla definitionen av temperatur för att förstå termisk ledning matematiskt.
Operativ definition av T:
den operativa definitionen av temperatur är det värde som mäts med en termometer som helt enkelt mäter expansionen av Kvicksilvervolymen.
bild 2. Illustration av två termometrar i Celsius och Fahrenheit enheter
fysik definition av T:
i termisk fysik förstås temperatur och termisk ledning genom att studera molekylernas rörelse.
Schroeder, författaren till ’introduktion till termisk fysik’ beskriver temperaturen matematiskt som:
var:
S=entropi,
U=energi,
N=antal partiklar,
V=systemets volym (Schroeder, 2007).därför är temperaturen hos ett system beroende av entropi och energi när antalet partiklar och volymen av ett system hålls konstant.
Schroeder säger i ord: ”temperatur är ett mått på ett objekts tendens att spontant ge upp energi till sin omgivning. När två objekt är i termisk kontakt är den som tenderar att spontant förlora energi vid högre temperatur” (Schroeder, 2007). Detta beror på att de två objekten i kontakt kommer att försöka nå termisk jämvikt; bli samma temperatur.
för att visualisera temperatur och värmeledning på mikroskopisk nivå visas Figur 1 A och B nedan. Föreställ dig att ett okänt objekt A och B är i fysisk kontakt med varandra. Objekt A har en högre temperatur än objekt B. Vad händer med temperaturen under en tidsperiod?
Figur 1. A
Figur 1.B
Figur 1.A illustrerar två okända objekt i fysisk kontakt med varandra, och figur 1.B visar objektens molekyler.
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.
Vid t0 rör sig atomerna i objekt A med en snabbare hastighet och atomer av objekt B rör sig med en långsammare hastighet (TA > TB). Med tiden ger objekt A upp energi och objekt B får energi tills de är samma temperatur (TA = TB) och når termisk jämvikt. Detta är termisk ledning beskriven på molekylär nivå. De närmaste atomerna av objekt A stöter på atomer av objekt B. atomerna av objekt B som hade den initiala interaktionen med atomer av objekt A stöter på fler atomer av objekt B tills energi överförs genom alla atomer av objekt B.
Schroeder definierar termisk ledning som” överföring av värme genom molekylär kontakt: snabbrörliga molekyler stöter på långsamma molekyler och ger upp lite av sin energi i processen ” (Schroeder, 2007).
Värmeöverföringsmetoder för metaller
det är värdefullt att återkalla de tre sätten för värmeöverföring; konvektion för gaser/vätskor, strålning för föremål separerade av tomt utrymme och ledning för föremål i direktkontakt.
termisk ledning är också uppdelad i tre kategorier: molekylära kollisioner för gas / flytande former, gittervibrationer för fasta ämnen och ledningselektroner för metaller som visas i Figur 2. nedan.
Figur 2. Lägen för värmeöverföring.
termisk ledning av metaller kommer att inkludera molekylära kollisioner + ledningselektroner för metaller i gastillstånd och gittervibrationer + ledande elektroner för metaller i fast tillstånd. Ledningselektroner är i huvudsak det som gör en metall till en otrolig ledare. Innan du förklarar vad en ledningselektron verkligen är, är det viktigt att komma ihåg definitionen av en metall.
definiera metaller
alla element finns under det periodiska systemet inklusive metaller, icke-metaller och metalloider. Metaller definieras som” element som bildar positiva joner genom att förlora elektroner under kemiska reaktioner ” (Blaber, 2015).
Figur 3. Periodisk tabell som visar alla element kategoriserade i metaller, icke-metaller och metalloider.
Tabell 1. Lista över typiska fysikaliska egenskaper hos metaller.
fast vid rumstemperatur
hård
hög densitet
hög smältpunkt
hög kokpunkt
formbar
duktil
glänsande
vad gör metaller bra termiska ledare?
vad som gör en metall till en bra värmeledare är de fritt flytande ledningselektronerna.
Figur 4. Ett metallblock som värms upp och visar atomerna och de fritt flytande elektronerna.
metallatomer fäller valenselektroner när de kemiskt reagerar med icke-metallatomer, t.ex. bildar oxider och salter. Således är metalljoner katjoner i en vattenlösning. Det som gör metaller och metallegeringar bra ledare är den speciella metallbindningen. I metallfasta ämnen delar de bundna atomerna sina valenselektroner och bildar ett hav av fritt rörliga ledningselektroner som bär både värme och elektrisk laddning. Så, till skillnad från t.ex. elektroner i kovalenta bindningar, kan valenselektronerna i en metall fritt strömma genom metalllederna och effektivt bära värme utan att låsas till en individuell atomkärna.
matematisk modellering av värmeledningsförmåga (k)
värmeledningsförmåga (k) mäter en entitets förmåga att leda värme (Q).
högt k-värde: Hög värmeledningsförmåga
Figur 4. Ett materialark med värmeledningsekvationen.
givet:
k = värmeledningsförmåga (W / m * K),
JACOBQ = energiöverföring (Joule / sekund),
Uxolt = tidsändring (sekunder),
UXVT = temperaturgradient (K),
A = areal av värmeledningsförmåga (m2),
Uxxx = materialtjocklek.
värmeledningsförmåga för metaller och legeringar
Följande tabeller visar värmeledningsförmåga för ett urval av metaller och legeringar vid rumstemperatur.
Tabell 2. Lista över typiska fysikaliska egenskaper hos 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.
användning av vanliga metaller & legeringar i tabellen ovan
metaller och legeringar (material gjorda av en kombination av metaller) har användningsområden som byggmaterial i olika branscher som elektronik, teknik, laboratorieutrustning, medicintekniska produkter, husprodukter och konstruktion.
det högsta värmeledningsvärdet för metaller finns i Silver (-429 W/M•K), koppar (-398 W/M•K) och guld (-315 W/M•K).
metaller är mycket viktiga för att göra elektronik eftersom de är bra ledare av el. Koppar, aluminium, tenn, bly, magnesium och plast används ofta för att göra delar av telefoner, bärbara datorer, datorer och fordonselektronik. Koppar är kostnadseffektivt och används för elektriska ledningar. Bly används för kabelmantel och batterier. Tenn används för att göra lödare. Magnesiumlegeringar används vid produktion av ny teknik eftersom den är lätt. Plast används för att tillverka delar av elektronik som inte får leda elektricitet och titan används för att producera plast.
metaller är också viktiga inom verkstadsindustrin. Aluminium används ofta för att göra fordons& plandelar och används som en legering eftersom dess rena form är svag. Bilgjutning är gjord av zink. Järn, stål och nickel är vanliga metaller som används i konstruktion och infrastruktur. Stål är en legering av järn och kol (och ofta andra element). Att öka kolhalten i stål skapar kolstål, vilket gör materialet starkare men mindre duktilt. Kolstål används ofta i byggmaterial. Mässing och brons (kopparlegerad med zink respektive tenn) har fördelaktiga ytfriktionsegenskaper och används för lås & gångjärn och ramar av dörrar & fönster respektive.
slutligen är traditionellt glödlampor för fluorescerande ljus gjorda av volfram. Dessa fasas emellertid ut eftersom endast cirka 5 % av kraften omvandlas till ljus i en ljuskälla som denna, resten av strömmen omvandlas till värme. Moderna ljuskällor är ofta baserade på LED-teknik och halvledare.
Sammanfattningsvis är värmeledningsförmågan hos metall mycket viktig för att utforma vilken struktur som helst. Det är en integrerad del för säkerhet, effektivitet och nya innovationer inom industrin. Ledarelektronerna är mekanismen bakom hög ledningsförmåga hos metaller i jämförelse med icke-metallmaterial. Värmeledningsvärdet (k) kan dock variera kraftigt bland metaller också.
Schroeder, D. V. (2018). En introduktion till termisk fysik. Indien: Pearson Indien Utbildningstjänster.
materialdatabas-termiska egenskaper. (nd). Hämtad frånhttps://thermtest.com/materials-database
aluminiumlegeringar 101. (2020, 9 mars). Hämtad från https://www.aluminum.org/resources/industry-standards/aluminum-alloys-101
Elert, G. (nd). Ledning. Hämtad från https://physics.info/conduction/
Blaber, M. (2019, juni 3). 9.2: metaller och icke-metaller och deras joner. Hämtad från 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
värmeledningsförmåga. (nd). Hämtad från http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
titandioxid för plast. (nd). Hämtad från https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center
Sandhana, L., & Joseph, A. (2020, 6 mars). Vad är kolstål? Hämtad från https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html
(nd). Hämtad från http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html
bilder
bild 1.A: Mohamed, M. (2019). Matlagning Lady . Hämtad från https://pxhere.com/en/photo/1584957.
bild 1.B: Mohamed, M. (2019). Kock Matlagning . Hämtad från https://pxhere.com/en/photo/1587003.
bild 2: Wikipedia. Termometer . Hämtad från https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg
författare: Selen Yildir / Junior teknisk författare / Thermtest