9 PRZEWODNIKI CIEPŁA I ICH CHARAKTERYSTYKA - NAUKA - 2026

Przewodniki ciepła to materiały, których struktura jest taka, że ​​ciepło może przez nie łatwo przechodzić. Należy pamiętać, że cała materia składa się z atomów i cząsteczek będących w ciągłym ruchu wibracyjnym, a ciepło przekłada się na większe poruszenie tych cząstek.

Niektóre materiały przewodzą ciepło lepiej niż inne, ponieważ ich wewnętrzna konfiguracja ułatwia ten przepływ energii. Na przykład drewno nie jest dobrym przewodnikiem ciepła, ponieważ jego nagrzewanie zajmuje dużo czasu. Ale z drugiej strony żelazo, miedź i inne metale są, co oznacza, że ​​ich cząstki bardzo szybko uzyskują energię kinetyczną.

Pasta termoprzewodząca stosowana w chipach komputerowych jest dobrym przewodnikiem ciepła, ale nie elektryczności. Źródło: Wikimedia Commons.

Z tego powodu metale są faworytem do produkcji przyborów kuchennych, takich jak garnki i patelnie. Szybko się nagrzewają i osiągają wystarczająco wysoką temperaturę, aby potrawa mogła się prawidłowo ugotować.

Jednak uchwyty i uchwyty, które stykają się z dłońmi użytkownika, są wykonane z innych materiałów termoizolacyjnych. W ten sposób patelnie są łatwe w obsłudze, nawet gdy są gorące.

Rodzaje przewodników

W zależności od sposobu przewodzenia ciepła materiały dzieli się na:

- Przewodniki ciepła : diament i metale, m.in. miedź, żelazo, cynk i aluminium. Zwykle dobre przewodniki elektryczności są również dobrymi przewodnikami ciepła.

- Izolatory termiczne : drewno, guma, włókno szklane, plastik, papier, wełna, anime, korek, polimery to dobre przykłady. Gazy też nie są dobrymi przewodnikami.

Przewodność cieplna materiałów

Właściwość, która nieodłącznie charakteryzuje sposób, w jaki każdy z nich przewodzi ciepło, nazywana jest przewodnością cieplną. Im wyższa przewodność cieplna substancji, tym lepiej przewodzi ciepło.

Przewodność cieplną substancji określa się eksperymentalnie. W międzynarodowym układzie jednostek SI przewodność cieplną mierzy się w watach / (metr x kelwin) lub W / (mK). Jest interpretowany w następujący sposób:

Inną jednostką przewodności cieplnej stosowaną w krajach anglosaskich jest BTUH / (ft.ºF), gdzie BTUH oznacza brytyjską jednostkę termiczną na godzinę.

Ciepło przepływa przez ciało stałe, gdy występuje różnica temperatur między jego końcami. Źródło: Wikimedia Commons.

Wartości przewodnictwa cieplnego

Poniżej przedstawiono przewodnictwo cieplne niektórych pierwiastków i materiałów występujących w przyrodzie i często stosowanych w przemyśle.

Należy jednak zauważyć, że istnieją związki syntetyczne, jeszcze w fazie eksperymentalnej, których przewodnictwo cieplne znacznie przewyższa przewodnictwo cieplne diamentu, który stoi na czele tabeli.

Temperatura ma decydujące znaczenie dla wartości przewodności cieplnej metali. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie przewodność cieplna (chociaż przewodnictwo elektryczne spada). W przypadku niemetali przewodność cieplna jest mniej więcej stała w szerokim zakresie temperatur.

Wartości w tabeli podano przy 25ºC i 1 atmosferze ciśnienia.

Wybierając materiał ze względu na jego właściwości termiczne, należy wziąć pod uwagę, że rozszerza się on pod wpływem ciepła. Zdolność tę określa współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Główne przewodniki ciepła

Diament

Diament jest najlepszym w naturze przewodnikiem ciepła. Źródło: Robert Lavinsky za pośrednictwem Wikimedia Commons.

W temperaturze pokojowej jest najlepszym przewodnikiem ciepła, znacznie lepszym niż miedź i jakikolwiek inny metal. W diamencie, który jest izolatorem elektrycznym, ciepło nie przepływa przez elektrony przewodzące, ale poprzez propagację drgań w jego wysoce zorganizowanej strukturze krystalicznej. Te wibracje nazywane są fononami.

Posiada również niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co oznacza, że ​​po podgrzaniu jego wymiary pozostaną zbliżone do pierwotnych. Kiedy wymagany jest dobry przewodnik ciepła, który nie przewodzi prądu elektrycznego, diament jest najlepszą opcją.

W rezultacie jest szeroko stosowany do usuwania ciepła wytwarzanego przez obwody w komputerach i innych urządzeniach elektronicznych. Ma jednak poważną wadę: jest niezwykle drogi. Chociaż istnieją syntetyczne diamenty, nie są one łatwe do wykonania i są również drogie.

Srebro

Srebrne monety

Ze względu na połysk, kolor i plastyczność jest bardzo cenionym metalem zdobniczym. Jest odporny na utlenianie i spośród wszystkich metali ma najwyższą przewodność cieplną, a także doskonałą przewodność elektryczną.

Z tego powodu ma wiele zastosowań w przemyśle, zarówno samodzielnie, jak i w stopach z innymi pierwiastkami, takimi jak nikiel i pallad.

Z czystego srebra wykonane są obwody drukowane, wysokotemperaturowe kable nadprzewodzące, a przewodniki używane w elektronice są powlekane, a także stosowane w stopie do tworzenia styków elektrycznych.

Ma tę wadę, że jest stosunkowo rzadki, a zatem drogi, ale unikalne połączenie właściwości fizycznych dla tych zastosowań sprawia, że ​​jest doskonałą alternatywą, ponieważ jest bardzo elastyczny, a wraz z nim uzyskuje się przewodniki o dobrej długości.

Miedź

Druty miedziane

Jest to jeden z najczęściej używanych metali, gdy wymagana jest dobra przewodność cieplna, ponieważ nie ulega łatwej korozji, a jego temperatura topnienia jest dość wysoka, co oznacza, że ​​nie topi się łatwo pod wpływem ciepła.

Innymi zaletami, które ma, jest jego ciągliwość, a także brak właściwości magnetycznych. Miedź nadaje się do recyklingu i jest znacznie tańsza niż srebro. Jednak jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest wysoki, co oznacza, że ​​jego wymiary zmieniają się znacznie po podgrzaniu.

Ze względu na dobre właściwości termiczne znajduje szerokie zastosowanie w sprzęcie kuchennym, np. Garnkach miedzianych pokrytych stalą. Również do produkcji wymienników ciepła w zbiornikach ciepłej wody użytkowej, w instalacjach centralnego ogrzewania, grzejnikach samochodowych oraz do odprowadzania ciepła w urządzeniach elektronicznych.

Złoto

Prehispanic złota maska

Jest to metal szlachetny par excellence i zajmuje dominujące miejsce w historii ludzkości. Oprócz tego szczególnego znaczenia złoto jest plastyczne, odporne i jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności.

Ponieważ złoto nie koroduje, jest używane do przenoszenia małych prądów w półprzewodnikowych elementach elektronicznych. Prądy te są na tyle małe, że można je łatwo przerwać przy najmniejszym śladzie korozji, dlatego złoto gwarantuje niezawodne podzespoły elektroniczne.

Służy również do produkcji złączy słuchawkowych, styków, przekaźników i kabli krosowych. Urządzenia takie jak smartfony, kalkulatory, laptopy i komputery stacjonarne oraz telewizory zawierają niewielkie ilości złota.

Specjalne szkła do klimatyzacji zawierają również rozproszone złoto, dzięki czemu pomagają odbijać promieniowanie słoneczne na zewnątrz, zachowując świeżość wewnątrz, gdy jest bardzo gorąco. W ten sam sposób pomagają utrzymać ciepło wewnętrzne w budynku w okresie zimowym.

Lit

Bateria litowo-jonowa. Autor: Pan ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * dzień fotografii, sierpień 2005 * fotograf Aney. Źródło: Wikimedia Commons.

Jest najlżejszym ze wszystkich metali, chociaż jest bardzo reaktywny, więc łatwo koroduje. Trzeba też obchodzić się z nim bardzo ostrożnie, ponieważ jest wysoce łatwopalny. Z tego powodu, chociaż występuje w dużych ilościach, nie występuje w stanie wolnym, ale w związkach, dlatego na ogół należy go izolować metodami elektrolitycznymi.

Jego przewodność cieplna jest podobna do złota, ale jest znacznie tańsza. Węglan litu jest związkiem stosowanym do produkcji żaroodpornego szkła i ceramiki.

Innym szeroko rozpowszechnionym zastosowaniem litu jest produkcja trwałych, lekkich baterii, w których do ekstrakcji litu metalicznego stosuje się chlorek litu. Dodawany przy obróbce aluminium zwiększa jego przewodność elektryczną i obniża temperaturę pracy.

Aluminium

Aluminiowe wiadro metalowe. Źródło: Carsten Niehaus

Ten lekki, niedrogi, bardzo wytrzymały i łatwy w obróbce metal jest jednym z głównych materiałów wykorzystywanych do produkcji wymienników ciepła w urządzeniach klimatyzacyjnych, takich jak klimatyzatory i nagrzewnice.

Zarówno w gospodarstwie domowym, jak i przemysłowym, aluminiowe przybory kuchenne są szeroko stosowane w kuchniach na całym świecie.

Aluminiowe przybory kuchenne, takie jak garnki, patelnie i blachy do pieczenia, są niezwykle wydajne. Nie zmieniają smaku potraw i pozwalają na szybkie i równomierne rozprowadzanie ciepła podczas gotowania.

Niezależnie od tego aluminiowe garnki i patelnie zostały zastąpione stalą nierdzewną, która nie jest tak dobrym przewodnikiem ciepła. Dzieje się tak, ponieważ stal nierdzewna nie reaguje z silniejszymi kwasami, takimi jak na przykład sos pomidorowy.

Dlatego zaleca się przygotowywanie sosów pomidorowych w naczyniach stalowych, aby zapobiec przedostawaniu się aluminium do żywności, ponieważ niektórzy kojarzą aluminium - obecne w środkach zobojętniających kwas, talku, dezodorantach i wielu innych produktach - z pojawieniem się chorób zwyrodnieniowych, chociaż większość ekspertów, a także FDA odrzucają tę hipotezę.

Rondel aluminiowy na pierwszym planie. Źródło: Pixabay.

Naczynia wykonane z anodowanego aluminium nie stwarzają ryzyka uwalniania cząstek aluminium i zasadniczo mogą być używane z większym bezpieczeństwem.

Brązowy

Brąz tych starożytnych dzwonów świadczy o przydatności metali do celów zdobniczych lub religijnych. Źródło: Pxhere.

Brąz to głównie stop miedzi i cyny, w mniejszym stopniu inne metale. W historii ludzkości jest obecny od czasów starożytnych.

Jest to tak ważne, że okres prehistorii został nawet nazwany epoką brązu, kiedy ludzie odkryli i zaczęli wykorzystywać właściwości tego stopu.

Brąz jest odporny na korozję i łatwy w obróbce. Początkowo służył do wyrobu różnych przyborów, narzędzi, biżuterii, przedmiotów artystycznych (np. Rzeźb) i broni, a także do bicia monet. Dziś nadal jest używany do produkcji rur, części mechanicznych i instrumentów muzycznych.

Cynk

Szkło zegarkowe z tlenkiem cynku. Źródło: Adam Rędzikowski

Jest to bardzo kowalny i ciągliwy, niebieskawo-biały metal, łatwy w obróbce, choć o niskiej temperaturze topnienia. Jest znany od czasów starożytnych, głównie stosowany w stopach.

Obecnie służy do cynkowania stali, a tym samym do ochrony przed korozją. Również do produkcji baterii, pigmentów oraz produkcji specjalnych blach cynkowych dla budownictwa.

Żelazo

Żelazne opiłki na magnesie. Źródło: Aney via Commons Wikimedia.

Żelazo to kolejny metal o wielkim znaczeniu historycznym. Podobnie jak brąz, żelazo jest związane z etapem prehistorii, w którym nastąpił wielki postęp technologiczny: epoką żelaza.

Obecnie żeliwo nadal ma wiele zastosowań do wytwarzania narzędzi, przyborów, w budownictwie i jako materiał do produkcji części samochodowych.

Jak widzieliśmy, żelazo jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Żelazne przedmioty bardzo dobrze rozprowadzają ciepło i utrzymują je przez długi czas. Posiada również wysoką temperaturę topnienia, dzięki czemu jest odporny na wysokie temperatury, stąd jego przydatność do produkcji wszelkiego rodzaju pieców, zarówno przemysłowych, jak i domowych.

Bibliografia

1. CK-12. Przewodniki termiczne i izolatory. Odzyskany z: ck12.org.
2. Miedź: właściwości i zastosowania. Odzyskany z: copperalliance.org.
3. Effunda. Właściwości wspólnych materiałów stałych. Odzyskany z efunda.com
4. Hill, D. Thermal Properties of Cast Iron. Odzyskany z: ehow.com.
5. King, H. Wiele zastosowań złota. Odzyskane z: geology.com.
6. Lit. Odzyskany z: gob.mx.
7. Fizyka odtwórcza. Przenikanie ciepła. Odzyskany z: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Lista przewodności cieplnych. Odzyskane z: es.wikipedia.org.