Về tính dẫn nhiệt của kim loại theo góc nhìn vật lý
- OFREZH EDITOR
- 28 thg 6
- 8 phút đọc
Giải thích vật lý về tính dẫn nhiệt của kim loại
Kim loại thường được biết đến là chất dẫn nhiệt có hiệu suất cao .
Bài viết này sẽ khám phá cơ chế truyền nhiệt, điều gì khiến kim loại trở thành chất dẫn nhiệt lý tưởng và công dụng của các kim loại và hợp kim thông dụng.
Tầm quan trọng của độ dẫn nhiệt trong cuộc sống hàng ngày
Hình ảnh 1. A và B minh họa trực quan về những người đang sử dụng đồ dùng nhà bếp trong bếp.
Nấu ăn là một phần trong cuộc sống hàng ngày của hầu hết mọi người. Do đó, các thiết bị nấu ăn được thiết kế với mục đích đảm bảo an toàn và hiệu quả tối đa. Điều này đòi hỏi phải hiểu biết về vật lý nhiệt. Có một lý do tại sao bộ phận làm nóng của máy nướng bánh mì thường được làm bằng dây nicrom, thìa trộn thường làm bằng gỗ và vật liệu cấu tạo của găng tay lò nướng không bao giờ liên quan đến hợp chất kim loại.
Định nghĩa nhiệt độ và dẫn nhiệt
Cần phải nhớ lại định nghĩa về nhiệt độ để hiểu được sự dẫn nhiệt theo phương pháp toán học.
Định nghĩa hoạt động của T:
Định nghĩa thực tế của nhiệt độ là giá trị được đo bằng nhiệt kế, đơn giản là đo sự giãn nở thể tích của Thủy ngân.
Định nghĩa vật lý của T:
Trong vật lý nhiệt, nhiệt độ và sự dẫn nhiệt được hiểu thông qua việc nghiên cứu chuyển động của các phân tử.
Schroeder, tác giả của ' Giới thiệu về Vật lý Nhiệt ' mô tả nhiệt độ theo phương pháp toán học như sau:
Do đó, nhiệt độ của một hệ thống phụ thuộc vào entropy và năng lượng khi số lượng hạt và thể tích của hệ thống được giữ không đổi.
Schroeder phát biểu bằng lời: “Nhiệt độ là thước đo xu hướng của một vật thể tự động giải phóng năng lượng cho môi trường xung quanh. Khi hai vật thể tiếp xúc nhiệt, vật thể có xu hướng tự động mất năng lượng sẽ ở nhiệt độ cao hơn” (Schroeder, 2007). Điều này là do hai vật thể tiếp xúc sẽ cố gắng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt ; trở thành cùng một nhiệt độ.
Để hình dung nhiệt độ và sự dẫn nhiệt ở cấp độ vi mô, Hình 1 A và B được minh họa bên dưới. Hãy tưởng tượng rằng một vật thể A và B chưa biết tiếp xúc vật lý với nhau. Vật thể A có nhiệt độ cao hơn vật thể B. Điều gì sẽ xảy ra với nhiệt độ trong một khoảng thời gian?
Hình 1.A minh họa hai vật thể chưa biết tiếp xúc vật lý với nhau và Hình 1.B hiển thị các phân tử của các vật thể đó.
Cho rằng t n : một thời điểm, T A : nhiệt độ của vật A, T B : nhiệt độ của vật B, ŝ A : vận tốc trung bình của hạt A, ŝ B : vận tốc trung bình của hạt B.
Tại thời điểm t 0 , các nguyên tử của vật A chuyển động với tốc độ nhanh hơn, và các nguyên tử của vật B chuyển động với tốc độ chậm hơn (T A > T B ). Theo thời gian, vật A giải phóng năng lượng và vật B thu năng lượng cho đến khi chúng có cùng nhiệt độ (T A = T B ) và đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Đây là sự dẫn nhiệt được mô tả ở cấp độ phân tử. Các nguyên tử gần nhất của vật A va vào các nguyên tử của vật B. Các nguyên tử của vật B có tương tác ban đầu với các nguyên tử của vật A va vào nhiều nguyên tử của vật B hơn cho đến khi năng lượng được truyền qua tất cả các nguyên tử của vật B.
Schroeder định nghĩa Dẫn nhiệt là “sự truyền nhiệt thông qua tiếp xúc phân tử: các phân tử chuyển động nhanh va chạm với các phân tử chuyển động chậm, giải phóng một phần năng lượng của chúng trong quá trình này” (Schroeder, 2007).
Các chế độ truyền nhiệt cho kim loại
Điều quan trọng là phải nhớ lại ba chế độ truyền nhiệt : đối lưu đối với chất khí/chất lỏng, bức xạ đối với các vật thể cách nhau bởi không gian trống và dẫn nhiệt đối với các vật thể tiếp xúc trực tiếp.
Dẫn nhiệt cũng được chia thành ba loại: va chạm phân tử đối với dạng khí/lỏng, dao động mạng đối với chất rắn và electron dẫn đối với kim loại như thể hiện trong Hình 2 bên dưới.
Hình 2. Các chế độ truyền nhiệt.
Dẫn nhiệt của kim loại sẽ bao gồm va chạm phân tử + electron dẫn đối với kim loại ở trạng thái khí và dao động mạng + electron dẫn đối với kim loại ở trạng thái rắn. Electron dẫn về cơ bản là thứ khiến kim loại trở thành chất dẫn điện đáng kinh ngạc . Trước khi giải thích electron dẫn thực sự là gì, điều cần thiết là phải nhớ lại định nghĩa về kim loại.
Định nghĩa kim loại
Tất cả các nguyên tố đều có thể được tìm thấy trong bảng tuần hoàn bao gồm Kim loại, Phi kim và Á kim. Kim loại được định nghĩa là “các nguyên tố tạo thành ion dương bằng cách mất electron trong các phản ứng hóa học” (Blaber, 2015).
Bảng 1. Danh sách các tính chất vật lý đặc trưng của kim loại.
Điều gì làm cho kim loại trở thành vật dẫn nhiệt tốt?
Yếu tố làm cho kim loại trở thành chất dẫn nhiệt tốt là các electron dẫn nhiệt chuyển động tự do .
Các nguyên tử kim loại giải phóng các electron hóa trị khi phản ứng hóa học với các nguyên tử phi kim, ví dụ tạo thành oxit và muối. Do đó, các ion kim loại là các cation trong dung dịch nước. Điều làm cho kim loại và hợp kim kim loại trở thành chất dẫn điện tốt là liên kết kim loại đặc biệt. Trong chất rắn kim loại, các nguyên tử liên kết chia sẻ các electron hóa trị của chúng, tạo thành một biển các electron dẫn chuyển động tự do mang cả nhiệt và điện tích. Vì vậy, không giống như các electron trong liên kết cộng hóa trị, các electron hóa trị trong kim loại có thể tự do chảy qua các lớp kim loại, mang nhiệt hiệu quả mà không bị khóa vào lõi nguyên tử riêng lẻ.
Mô hình toán học của giá trị độ dẫn nhiệt (k)
Độ dẫn nhiệt (k) đo khả năng dẫn nhiệt (Q) của một thực thể.
Bảng 2. Danh sách các tính chất vật lý đặc trưng của kim loại.
Bình luận