ما هي خصائص المواد الموصلة للحرارة

واحدة من خصائص المواد الموصلة للحرارة هي أنها تتحرك بحرية وترتبط بشكل سيئ بالنواة الذرية. توفر المعادن الحرارة من خلال السماح للإلكترونات الحرة بالتحرك بين الذرات. لا ترتبط هذه الإلكترونات بنواة ذرة واحدة أو برابطة تساهمية، لأن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض. لذلك، واحدة من أهم خصائص المواد الموصلة للحرارة هي أنها تحتوي على إلكترونات حرة الحركة. ترتبط بشكل سيئ بالنواة الذرية. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن المعادن النقية تميل إلى توفير أفضل مستوى من التوصيل الحراري. بالنسبة لمعظم المعادن، فإن وجود الملوثات يحد من حركة الإلكترونات الحرة. بالمقارنة مع المعادن النقية، يمكن اعتبار العناصر المضافة كعوامل صناعة السبائك «شوائب»، لذلك تميل السبائك إلى توفير توصيل حراري أقل من المعدن النقي.
الإلكترونات في المعدن هي إلكترونات غير مركزية وإلكترونات حرة الحركة. لذلك عندما تكتسب الطاقة (الحرارة)، فإنها تهتز بشكل أسرع ويمكن أن تتحرك، مما يعني أنها يمكن أن تنقل الطاقة بشكل أسرع. [2] الموصلية الحرارية هي نقل الطاقة الحرارية الداخلية. من خلال اصطدام الجسيمات المجهرية وحركة الإلكترونات في الجسم، يمكن أن تكون هذه الجسيمات المجهرية جزيئات وذرات وإلكترونات. إنه أيضًا تدفق الحرارة في الجسم بسبب اختلاف درجة الحرارة وينتج عن حركة الإلكترونات في الجسم نفسه. يستمر نقل الحرارة بالتوصيل حتى يصل الجسم إلى ظروف التوازن الحراري.
يتم تعريف الموصلية الحرارية من قبل «قانون فورييه للموصلية الحرارية»، الذي ينص على أن سرعة تدفق الحرارة تتناسب مع المقطع العرضي وأن الفرق في درجة الحرارة في مادة صلبة متجانسة يتناسب طرديا. كما ينص القانون على أن المعدل الزمني لنقل الحرارة من خلال مادة يتناسب مع التدرج السلبي لدرجة الحرارة. [3] المواد الموصلة للحرارة هي الماس والفضة والنحاس والذهب ونتريد الألومنيوم وكبريتيد السيليكون والألمنيوم. ولفرام. الجرافيت. الموصلية الحرارية هي مقياس لقدرة المواد على تمرير الحرارة من خلالها. يمكن للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية نقل الحرارة بشكل فعال وتوسيع الحرارة فيها بسهولة. تحتوي بعض العناصر على موصلية عالية وتختلف قيم الموصلية الخاصة بها عن بعضها البعض. حراري:
الفضة: قيمة الموصلية هي 429 واط/mK. الفضة هي موصل حراري اقتصادي وغير مكلف نسبيًا. الفضة هي جزء من العديد من الأجهزة وهي واحدة من أكثر المعادن تنوعًا بسبب قابليتها للطرق. 35٪ من الفضة المنتجة في الولايات المتحدة. النحاس لديه نقطة انصهار عالية ومعدل تآكل معتدل. النحاس هو المعدن الأكثر استخدامًا في تصنيع الأجهزة الموصلة في الولايات المتحدة. النحاس لديه نقطة انصهار عالية ومعدل تآكل معتدل. كما أنه معدن فعال للغاية لتقليل فقد الطاقة أثناء نقل الحرارة.
نيتريد الألومنيوم: قيمة الموصلية هي 310 واط/mK. يشيع استخدام نيتريد الألومنيوم، لأنه لا يشكل خطرًا على الصحة أثناء التصنيع. إنها واحدة من المواد القليلة المعروفة التي توفر العزل الكهربائي مع الموصلية الحرارية العالية في نفس الوقت. لديها مقاومة استثنائية للصدمات الحرارية وتعمل كعازل كهربائي في صناعة الرقائق الميكانيكية. كربيد السيليكون له قيمة موصلية تبلغ 270 واط/م ك. إنه أشباه الموصلات التي تتكون من خليط متوازن من ذرات السيليكون والكربون. أثناء الإنتاج والذوبان، يتحد السيليكون والكربون لتشكيل مادة صلبة ومتينة للغاية. غالبًا ما يستخدم هذا الخليط كمكون لفرامل السيارات وآلات التوربينات وسبائك الصلب.
يحتوي التنغستن على نقطة انصهار عالية وضغط بخار منخفض، مما يجعله مادة مثالية للأجهزة التي تتعرض لاستهلاك طاقة مرتفع. يشيع استخدامه في المصابيح الكهربائية وكمكون من أنابيب أشعة الكاثود. الجرافيت: مع قيمة الموصلية «168 W/mK»، الجرافيت هو بديل غني وفعال من حيث التكلفة وخفيف الوزن للعناصر الأخرى وغالبا ما يستخدم كمادة مضافة في يمزج البوليمر لتحسين خصائص التوصيل الحراري. الزنك: قيمة الموصلية هي 116 واط/mK. الزنك هو واحد من المعادن القليلة التي يمكن دمجها بسهولة مع المعادن الأخرى لتشكيل سبائك معدنية (خليط من اثنين أو أكثر من المعادن). 20٪ من معدات الزنك في الولايات المتحدة مصنوعة من سبائك الزنك [4].
توصيل. الحمل الحراري. الحرارة هي نقل الطاقة (الحرارة) من جسم ساخن إلى جسم أكثر برودة. يمكن نقل الحرارة بثلاث طرق: عن طريق التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. الموصلية: هو نقل الحرارة من جزيء إلى آخر عن طريق التوصيل المباشر بين الجسمين. يحدث هذا النقل عندما تصطدم الجسيمات مع بعضها البعض. تعمل الموصلية بشكل جيد على المواد التي تحتوي على جزيئات بسيطة قريبة من بعضها (المواد الصلبة). على سبيل المثال، المعدن موصل أفضل من الخشب أو البلاستيك. الحمل الحراري: هو حركة الحرارة من خلال سائل مثل الماء أو الهواء. ينتقل الجسم (السائل أو الغاز) من مكان إلى آخر، وينقل الحرارة معه. تسمى هذه الحركة لجسم مائي أو هواء ساخن «تيار».
المراجع ما هي الموصلية في المعادن؟ لماذا تقوم المعادن بتوصيل الحرارة والكهرباء بشكل جيد؟ ما هي المعادن الأفضل أداءً؟