رسانایی حرارتی عناصر شیمیایی

ویژگی‌های انتقال حرارت یک ماده جامد با خاصیتی به نام هدایت حرارتی k (یا λ) اندازه‌گیری می‌شود که بر حسب W/mK اندازه‌گیری می‌شود . این معیار توانایی یک ماده برای انتقال گرما از طریق یک ماده از طریق رسانش است . توجه داشته باشید که قانون فوریه برای همه مواد صرف نظر از حالت آن (جامد، مایع یا گاز) کاربرد دارد، بنابراین برای مایعات و گازها نیز تعریف شده است.

هدایت حرارتی اکثر مایعات و جامدات با دما متفاوت است. برای بخارات نیز به فشار بستگی دارد. به طور کلی:

هدایت حرارتی – تعریف

اکثر مواد تقریباً همگن هستند، بنابراین ما معمولاً می توانیم k = k (T) بنویسیم . تعاریف مشابهی با رسانایی حرارتی در جهت‌های y و z (ky، kz) مرتبط است، اما برای یک ماده همسانگرد، هدایت حرارتی مستقل از جهت انتقال است، kx = ky = kz = k.

 

رسانایی حرارتی فلزات

انتقال انرژی حرارتی در جامدات ممکن است به طور کلی به دلیل دو اثر باشد:
مهاجرت الکترون های آزاد
امواج ارتعاشی شبکه (فونون)
هنگامی که الکترون ها و فونون ها انرژی گرمایی را حمل می کنند که منجر به انتقال گرما در یک جامد می شود، هدایت حرارتی ممکن است به صورت زیر بیان شود:

k = k e + k ph

هدایت حرارتی – فلزاتفلزات جامد هستند و به این ترتیب دارای ساختار کریستالی هستند که در آن یون‌ها (هسته‌ها با پوسته‌های الکترون‌های هسته اطرافشان) موقعیت‌های معادل ترجمه را در شبکه بلوری اشغال می‌کنند. فلزات به طور کلی دارای رسانایی الکتریکی بالا ، هدایت حرارتی بالا و چگالی بالا هستند. بر این اساس، انتقال انرژی حرارتی ممکن است به دلیل دو اثر باشد:

مهاجرت الکترون های آزاد
امواج ارتعاشی شبکه (فونون).
هنگامی که الکترون ها و فونون ها انرژی گرمایی را حمل می کنند که منجر به انتقال گرما در یک جامد می شود، هدایت حرارتی ممکن است به صورت زیر بیان شود:

k = k e + k ph

ویژگی منحصر به فرد فلزات تا آنجا که به ساختار آنها مربوط می شود، وجود حامل های بار، به ویژه الکترون ها است . رسانایی الکتریکی و حرارتی فلزات از این واقعیت ناشی می شود که الکترون های بیرونی آنها غیرمحلی هستند . سهم آنها در هدایت حرارتی به عنوان هدایت حرارتی الکترونیکی، k e نامیده می شود . در حقیقت، در فلزات خالص مانند طلا، نقره، مس و آلومینیوم، جریان گرمایی مرتبط با جریان الکترون‌ها به دلیل جریان فونون‌ها بسیار بیشتر از سهم کمی است. در مقابل، برای آلیاژها، سهم k ph به k دیگر ناچیز نیست.

هدایت حرارتی غیر فلزات

هدایت حرارتی – مصالح ساختمانیبرای جامدات غیرفلزی ، k در درجه اول با kph تعیین می شود ، که با کاهش فرکانس برهمکنش بین اتم ها و شبکه افزایش می یابد. در واقع، هدایت حرارتی شبکه، اگر تنها نباشد، مکانیسم هدایت حرارتی غالب در غیر فلزات است. در جامدات، اتم ها حول موقعیت های تعادلی خود (شبکه کریستالی) ارتعاش می کنند. ارتعاشات اتم ها مستقل از یکدیگر نیستند، بلکه به شدت با اتم های همسایه جفت می شوند. منظم بودن آرایش شبکه تأثیر مهمی بر k ph دارد ، با مواد کریستالی (به خوبی مرتب شده) مانند کوارتز که رسانایی گرمایی بالاتری نسبت به مواد آمورف مانند شیشه دارند. در دماهای به اندازه کافی بالا k ph ∝ 1/T.

کوانتوم های میدان ارتعاشی کریستالی به عنوان ” فونون ” نامیده می شوند . فونون یک برانگیختگی جمعی در آرایش تناوبی و کشسانی از اتم ها یا مولکول ها در ماده متراکم مانند جامدات و برخی مایعات است. فونون ها در بسیاری از خواص فیزیکی ماده متراکم مانند هدایت حرارتی و رسانایی الکتریکی نقش اساسی دارند. در واقع، برای جامدات کریستالی، غیرفلزی مانند الماس، k ph می‌تواند بسیار بزرگ باشد و از مقادیر k مرتبط با رسانای خوب مانند آلومینیوم بیشتر باشد. به طور خاص، الماس بالاترین سختی و رسانایی حرارتی (k = 1000 W/mK) را در بین هر ماده حجیم دارد.

 

هدایت حرارتی مایعات و گازها

در فیزیک، سیال ماده ای است که به طور مداوم تحت تنش برشی اعمال شده تغییر شکل می دهد (جریان می شود). سیالات زیرمجموعه ای از فازهای ماده هستند و شامل مایعات ، گازها ، پلاسماها و تا حدودی جامدات پلاستیکی هستند. از آنجا که فاصله بین مولکولی بسیار بزرگتر است و حرکت مولکول ها برای حالت سیال تصادفی تر از حالت جامد است، انتقال انرژی حرارتی کمتر موثر است. بنابراین رسانایی حرارتی گازها و مایعات به طور کلی کمتر از رسانایی گرمایی جامدات است. در مایعات، هدایت حرارتی ناشی از انتشار اتمی یا مولکولی است. در گازها، هدایت حرارتی ناشی از انتشار مولکول‌ها از سطح انرژی بالاتر به سطح پایین‌تر است.

هدایت حرارتی گازها

هدایت حرارتی – گازهاتأثیر دما، فشار و گونه‌های شیمیایی بر رسانایی حرارتی گاز را می‌توان از نظر تئوری جنبشی گازها توضیح داد . هوا و سایر گازها به طور کلی عایق های خوبی هستند، در غیاب همرفت. بنابراین، بسیاری از مواد عایق (مثلاً پلی استایرن) صرفاً با داشتن تعداد زیادی محفظه پر از گاز عمل می کنند که از همرفت در مقیاس بزرگ جلوگیری می کند . تناوب محفظه گاز و مواد جامد باعث می شود که گرما باید از طریق بسیاری از رابط ها منتقل شود و باعث کاهش سریع ضریب انتقال حرارت می شود.

رسانایی حرارتی گازها با چگالی گاز، سرعت متوسط ​​مولکولی و به ویژه با میانگین مسیر آزاد مولکول رابطه مستقیم دارد. میانگین مسیر آزاد به قطر مولکول نیز بستگی دارد، با مولکول‌های بزرگ‌تر احتمال برخورد با مولکول‌های کوچک بیشتر است، که میانگین مسافت طی شده توسط یک حامل انرژی (یک مولکول) قبل از تجربه یک برخورد است. گازهای سبک مانند هیدروژن و هلیوم معمولاً دارای رسانایی حرارتی بالایی هستند . گازهای متراکم مانند زنون و دی کلرودی فلورومتان رسانایی حرارتی پایینی دارند.

به طور کلی رسانایی حرارتی گازها با افزایش دما افزایش می یابد.

رسانایی حرارتی مایعات

همانطور که نوشته شد، در مایعات، هدایت حرارتی ناشی از انتشار اتمی یا مولکولی است، اما مکانیسم های فیزیکی برای توضیح رسانایی حرارتی مایعات به خوبی درک نشده است. مایعات تمایل به هدایت حرارتی بهتری نسبت به گازها دارند و توانایی جریان یافتن باعث می شود مایعی برای حذف گرمای اضافی از اجزای مکانیکی مناسب باشد. گرما را می توان با انتقال مایع از طریق مبدل حرارتی حذف کرد. خنک کننده های مورد استفاده در راکتورهای هسته ای شامل آب یا فلزات مایع مانند سدیم یا سرب است.

رسانایی حرارتی مایعات غیرفلزی معمولاً با افزایش دما کاهش می یابد.