金屬的熱導率
任何給定材料的熱導率與其傳導熱能的能力有關。某些元素在熱能傳遞中表現出非常低的熱導率範圍,在這種情況下,熱傳遞速率非常慢。一般來說,金屬在電和熱方面都表現出高導電性。因此,金屬的熱導率範圍非常高。
金屬的熱導率是多少?
一般來說,金屬具有非常高的導電性,這與其擁有大量自由電子有關。因此,金屬中存在的熱傳導導致電子傳導。在金屬的情況下,其中存在的自由電子能夠在固體中自由移動,因此能夠以比絕緣體高得多的速率傳遞熱能。
還需要考慮的是,在最簡單的金屬中,導體也表現出主要的熱導率。熱導率與電導率的性質類似。晶格和電子傳導是驅動金屬中熱傳導速率的關鍵因素。維德曼-夫蘭茲定律闡述了電導率和熱導率之間的關係。
金屬的傳熱模式
熱傳導分為三個不同的類別,即氣體和液體形式中發生的分子振動,固體的晶格振動以及金屬中存在的電子。金屬中存在的多種熱傳導過程受分子碰撞、金屬中電子碰撞以及固態中與晶格振動相關的傳導過程的影響。簡而言之,自由電子本質上是使金屬成為優良導體的因素。
影響金屬導電性的因素
圖 1:金屬的熱導率
導致金屬高導電性的最重要的因素是材料中存在的自由流動電子。
金屬中存在的原子釋放出價電子,這些價電子與各種非金屬發生化學反應,並傾向於形成氧化物和鹽。因此,金屬離子形成存在於溶液中的陽離子。這種特殊的鍵合有助於使金屬和金屬合金成為有效的熱導體。
金屬固體往往具有各種鍵合電子,這些電子共享它們的價電子。正如 Köbler (2017) 所述,這種共享電子的方面創造了許多不同的移動導電電子,這些電子有助於攜帶熱量和電荷。因此,與共價鍵中存在的電子不同,金屬中存在的價電子能夠在金屬晶格中無阻礙地移動,這些價電子攜帶熱量而不會被鎖定到原子核上。
金屬作為導體的用途
圖 2:金屬的熱導率
金屬和由各種合金混合而成的合金具有高熱導率,這使得它們可用於工程、電子、家用產品以及醫療和實驗室裝置的建造等各個行業。銅通常因其高電導率和熱導率而用於各種裝置(核能 2022)。它還具有成本效益,因此廣泛用於世界各地的電線。鉛也是一種有用的金屬,可用於製造電池和電纜護套。
根據 Xu 等人(2018 年)的說法,金屬的熱導率對於設計各種結構非常重要。金屬及其熱導率特性對於設計各種產品至關重要,這些產品有助於設計各種行業的創新。
這對於這些產品和多種建築的安全性和效率至關重要。銀具有最高的熱導率,因此用於各種精密的裝置。金屬的導電性用於有效的電線佈線,並用於醫療和實驗室裝置。為了瞭解所涉及的物質型別,使用電導率和熱導率。
結論
熱導率是金屬的關鍵特性之一,它由其他幾個方面所突顯。然而,最重要的特徵在於金屬含有大量自由電子,這些電子有助於提高金屬的熱導率。金屬中存在的熱傳遞速率被不同行業用於建造不同的裝置及其相關的安全性。
常見問題
Q1. 溫度如何影響金屬的熱導率?
熱導率必然取決於純金屬和合金的電子效應。溫度升高既標誌著自由電子的數量增加,也標誌著晶格振動的增加。因此,金屬的熱導率應該會增加。
Q2. 什麼是維德曼-夫蘭茲定律?
維德曼-夫蘭茲定律指出,熱導率與電導率的比率與特定樣品的溫度成正比。它得出結論,溫度升高會增加材料的熱導率,而電導率會降低。
Q3. 維德曼-夫蘭茲定律的侷限性是什麼?
該定律所確立的比例關係並非在所有溫度範圍內都適用;它僅適用於非常陡峭的溫度情況。鈹和銀等材料確實遵循該定律。
Q4. 哪些因素會影響金屬的熱導率?
金屬的熱導率因大量自由電子的存在而增強。固體中的熱傳遞由兩個粒子組成,即材料的晶格和電子傳導。