9 TOPLINSKI PROVODNICI I NJIHOVE KARAKTERISTIKE - ZNANOST - 2025

Provodnici topline su materijali čija je struktura takva da toplina lako prolazi kroz njih. Moramo imati na umu da je sva materija sastavljena od atoma i molekula u stalnom vibratornom kretanju i da se toplina prevodi u veće miješanje tih čestica.

Neki materijali provode toplinu bolje od drugih, jer njihova unutarnja konfiguracija olakšava taj protok energije. Drvo, na primjer, nije dobar provodnik topline jer dugo traje zagrijavanje. Ali s druge strane željezo, bakar i drugi metali jesu, što znači da njihove čestice vrlo brzo dobivaju kinetičku energiju.

Toplinska mast koja se koristi u računalnim čipovima dobar je provodnik topline, ali ne i električne energije. Izvor: Wikimedia Commons.

Zbog toga su metali favoriti za izradu kuhinjskog pribora, kao što su lonci i tave. Brzo se zagrijavaju i dostižu dovoljno visoke temperature da se hrana pravilno kuha.

No, ručke i ručke koje su u kontaktu s korisnikovim rukama izrađene su od drugih toplinski izolacijskih materijala. Na taj se način tave lako rukuju čak i kad su vruće.

Vrste vodiča

Ovisno o načinu provođenja topline, materijali se razvrstavaju u:

- Toplinski vodiči: dijamant i metali poput bakra, željeza, cinka i aluminija, među ostalim. Obično su dobri provodnici električne energije i dobri provodnici topline.

- Toplinski izolatori: drvo, guma, stakloplastika, plastika, papir, vuna, anime, pluta, polimeri su dobri primjeri. Ni plinovi nisu dobri provodnici.

Toplinska vodljivost materijala

Svojstvo koje svojstveno karakterizira način na koji svaki od njih provodi toplinu, naziva se toplinska vodljivost. Što je veća toplinska vodljivost neke tvari, ona bolje provodi toplinu.

Toplinska vodljivost tvari određena je eksperimentalno. U SI međunarodnom sustavu jedinica, toplinska vodljivost se mjeri u Watt / (metar x kelvin) ili W / (mK). To se tumači na sljedeći način:

Druga jedinica za toplinsku vodljivost koja se koristi u anglosaksonskim zemljama je BTUH / (ft.ºF), gdje BTUH označava britansku toplinsku jedinicu na sat.

Toplina teče kroz krutinu kada postoji razlika u temperaturi između njezinih krajeva. Izvor: Wikimedia Commons.

Vrijednosti toplinske vodljivosti

Ispod su toplinske provodljivosti nekih elemenata i materijala koji se nalaze u prirodi i koji se često koriste u industriji.

Međutim, treba napomenuti da postoje sintetski spojevi, još uvijek u eksperimentalnoj fazi, čija toplinska vodljivost daleko nadmašuje dijamantu, koji je na čelu tablice.

Temperatura je presudna u vrijednosti toplinske vodljivosti metala. Kako temperatura raste, povećava se i toplinska vodljivost (iako se električna vodljivost smanjuje). Za nemetale je toplinska vodljivost približno konstantna u širokom temperaturnom području.

Vrijednosti u tablici navedene su na 25 ° C i 1 atmosferskom tlaku.

Prilikom odabira materijala za njegova toplinska svojstva, potrebno je uzeti u obzir da se širi toplinom. Taj se kapacitet daje koeficijentom toplinske ekspanzije.

Glavni provodnici topline

Dijamant

Dijamant je najbolji toplinski provodnik u prirodi. Izvor: Robert Lavinsky putem Wikimedia Commonsa.

Najbolji je toplinski vodič na sobnoj temperaturi, puno bolji od bakra i bilo kojeg drugog metala. U dijamantu, koji je električni izolator, toplina ne teče elektronama iz provođenja, već širenjem vibracija u svojoj visoko organiziranoj kristalnoj strukturi. Te se vibracije nazivaju fononi.

Također ima nizak koeficijent toplinske ekspanzije, što znači da će njegove dimenzije ostati grijane blizu izvornih. Kad je potreban dobar provodnik topline koji ne provodi električnu energiju, dijamant je najbolja opcija.

Kao rezultat toga, naširoko se koristi za uklanjanje topline proizvedene u krugovima u računalima i drugim elektroničkim uređajima. Ali ima i glavni nedostatak: izuzetno je skup. Iako postoje sintetički dijamanti, nije ih lako napraviti, a također su i skupi.

Srebro

Srebrni novčići

To je vrlo cijenjen metal za ukrašavanje zbog sjaja, boje i kovine. Otporan je na oksidaciju, a među svim metalima je i onaj s najvećom toplinskom vodljivosti, kao i izvrsnom električnom vodljivošću.

Iz tog razloga ima višestruku primjenu u industriji, samostalno i u legurama s drugim elementima poput nikla i paladija.

Od čistog srebra, tiskanih krugova izrađuju se visokotemperaturni superprevodni kabeli i presvlače se vodiči koji se koriste u elektronici, a osim toga koriste se u leguri za stvaranje električnih kontakata.

Nedostatak mu je što je relativno oskudan, a samim tim i skuplji, ali jedinstvena kombinacija fizičkih svojstava za ove primjene čini ga odličnom alternativom, jer je vrlo fleksibilan i s njim se dobivaju vodiči dobre duljine.

Bakar

Bakrene žice

To je jedan od najčešće korištenih metala kada je potrebna dobra toplinska vodljivost, jer se ne korodira lako, a talište mu je prilično veliko, što znači da se neće lako rastopiti ako je izložen toplini.

Ostale prednosti je njegova duktilnost, osim što nije magnetska. Bakar se može reciklirati i puno je jeftiniji od srebra. Međutim, koeficijent toplinske ekspanzije je visok, što znači da se njegove dimenzije znatno mijenjaju kada se zagrijavaju.

Zbog dobrih toplinskih svojstava, naširoko se koristi u kuhinjskom priboru, poput bakrenih posuda, na primjer, prekrivenih čelikom. Također za proizvodnju izmjenjivača topline u spremnicima tople vode, u sustavima centralnog grijanja, radijatorima automobila i za raspodjelu topline u elektroničkim uređajima.

Zlato

Prehispanska zlatna maska

Izvrsnost plemenitih metala i zauzima prevladavajuće mjesto u povijesti čovječanstva. Osim ovog posebnog značenja, zlato je koljivo, otporno i izvrstan je provodnik topline i električne energije.

Budući da zlato ne korodira, koristi se za provođenje malih struja u čvrstim elektroničkim komponentama. Te su struje toliko male da se mogu lako prekinuti pri najmanjem znaku korozije, zbog čega zlato jamči pouzdane elektroničke komponente.

Također se koristi za proizvodnju konektora za slušalice, kontakte, releje i u patch kablovima. Uređaji poput pametnih telefona, kalkulatora, prijenosnih i stolnih računala i televizora sadrže male količine zlata.

Posebne čaše za klimatizacijske prostore sadrže i raspršeno zlato, na način da pomažu reflektirati sunčevo zračenje vani, održavajući svježinu unutar kad je jako vruće. Na isti način pomažu u održavanju unutarnje topline u zgradi kad je zima.

litij

Litij-ionska baterija. Autor: Gospodin ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * fotografijski dan, kolovoz, 2005. * osoba s fotografije Aney. Izvor: Wikimedia Commons.

Najlakši je od svih metala, iako je vrlo reaktivan pa se lako korodira. Također trebate postupati s velikim oprezom, jer je vrlo zapaljiv. Zbog toga, iako ga ima u izobilju, ne nalazi se u slobodnom stanju, već u spojevima, zbog čega se mora izolirati općenito elektrolitičkim postupcima.

Njegova toplinska vodljivost slična je zlatu, ali je mnogo jeftinija od ove. Litijev karbonat spoj je koji se koristi u proizvodnji stakla i keramike otporne na toplinu.

Druga široka upotreba litija je proizvodnja dugotrajnih, laganih baterija, za koje se litijev klorid koristi za ekstrakciju metalnog litija. Dodano u obradi aluminija, povećava njegovu električnu vodljivost i snižava radne temperature.

aluminijum

Aluminijska metalna kanta. Izvor: Carsten Niehaus

Ovaj lagani, jeftin, vrlo otporan i lak za rad metal je jedan od glavnih materijala koji se koriste za izradu izmjenjivača topline u klimatizacijskoj opremi, poput klima uređaja i grijača.

Domaće i industrijsko posuđe od aluminija se u širokoj uporabi koristi u kuhinjama širom svijeta.

Aluminijski pribor kao što su lonci, tave i listovi za pečenje izuzetno su učinkoviti. Oni ne mijenjaju okus hrane i dopuštaju da se toplina brzo i ravnomjerno širi tijekom kuhanja.

Bez obzira na to, aluminijske posude i zdjelice premješteni su od nehrđajućeg čelika, što nije tako dobar provodnik topline. To je zato što nehrđajući čelik ne reagira s jačim kiselinama, kao što je na primjer umak od rajčice.

Zbog toga je poželjno napraviti umake od rajčice u čeličnim priborom, kako bi se spriječilo da aluminij ulazi u hranu, jer su neki udružili aluminij - prisutan u antacidima, talku, dezodoransima i mnogim drugim proizvodima - s pojavom degenerativnih bolesti, iako većina stručnjaka, kao i FDA, odbacuju ovu hipotezu.

Aluminijska tava u prvom planu. Izvor: Pixabay.

Posuđe od anodiziranog aluminija nema rizik odvajanja čestica aluminija i u načelu se može koristiti s većom sigurnošću.

bronza

Bronca ovih drevnih zvona pokazuje korisnost metala u ukrasne ili vjerske svrhe. Izvor: Pxhere.

Bronza je slitina bakra i kositra uglavnom, s ostalim metalima u manjoj mjeri. Prisutan je od davnina u povijesti čovječanstva.

Toliko je važno da je jedno razdoblje pretpovijesti bilo čak i ime brončanog doba, doba kada su ljudi otkrivali i počeli koristiti svojstva ove legure.

Bronca je otporna na koroziju i lako je s njom raditi. U početku se koristila za izradu raznih pomagala, alata, nakita, predmeta umjetnosti (na primjer skulpture) i oružja, kao i za kovanje kovanica. Danas se još uvijek koristi za izradu cijevi, mehaničkih dijelova i glazbenih instrumenata.

Cinkov

Gledajte čašu s cinkovim oksidom. Izvor: Adam Rędzikowski

To je vrlo koban i plastičan plavkasto-bijeli metal, lako se obrađuje, iako s niskim talištem. Poznato je od davnina, uglavnom se koristi u legurama.

Trenutno se koristi za pocinčavanje čelika i na taj način ga štiti od korozije. Također za proizvodnju baterija, pigmenata i izradu posebnih cink limova za građevinsku industriju.

Željezo

Željezni podlošci na magnetu. Izvor: Aney putem Commons Wikimedia.

Željezo je još jedan metal s velikim povijesnim značenjem. Poput bronce, i željezo je povezano s prapovijesti u kojoj je došlo do velikog tehnološkog napretka: željezno doba.

Danas lijevano željezo i dalje ima brojne primjene za izradu alata, pribora, u građevinarstvu i kao materijala za proizvodnju automobilskih dijelova.

Željezo je vrlo dobar provodnik topline, kao što smo vidjeli. Željezni predmeti jako dobro raspoređuju toplinu i čuvaju je dugo vremena. Također ima visoku talište, što ga čini otpornim na visoke temperature, otuda i njegova korisnost u proizvodnji svih vrsta peći, industrijskih i kućnih.

Reference

1. CK-12. Toplinski provodnici i izolatori. Oporavilo sa: ck12.org.
2. Bakar: Svojstva i aplikacije. Oporavilo sa: copperalliance.org.
3. Effunda. Svojstva uobičajenih materijala. Oporavak s efunda.com
4. Hill, D. Toplinska svojstva lijevanog željeza. Oporavilo sa: ehow.com.
5. King, H. Mnoge uporabe zlata. Oporavak od: geology.com.
6. Litij. Oporavak od: gob.mx.
7. Re-kreativna fizika. Prijenos topline. Oporavak od: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Popis toplinske vodljivosti. Oporavak od: es.wikipedia.org.