9 TOPLOTNI VODNIKI IN NJIHOVE ZNAČILNOSTI - ZNANOST - 2025

Pri toplotni prevodniki so materiali, katerih struktura je taka, da lahko toploto skozi njih enostavno. Ne smemo pozabiti, da je vsa materija sestavljena iz atomov in molekul v nenehnem vibracijskem gibanju in da toplota povzroči večje vznemirjanje teh delcev.

Nekateri materiali toploto prenašajo bolje kot drugi, ker njihova notranja konfiguracija olajša ta pretok energije. Les, na primer, ni dober prevodnik toplote, ker traja dolgo časa, da se segreje. Toda po drugi strani so železo, baker in druge kovine, kar pomeni, da njihovi delci zelo hitro pridobijo kinetično energijo.

Toplotna mast, ki se uporablja v računalniških čipih, je dober prevodnik toplote, ne pa tudi električne energije. Vir: Wikimedia Commons.

Zato so kovine najljubše pri izdelavi kuhinjskih pripomočkov, kot so lonci in ponve. Hitro se segrejejo in dosežejo dovolj visoke temperature, da se hrana pravilno kuha.

Kljub temu so ročaji in ročaji, ki so v stiku z uporabnikovimi rokami, izdelani iz drugih toplotnoizolacijskih materialov. Na ta način so ponve enostavne za ravnanje tudi, ko jim je vroče.

Vrste vodnikov

Glede na način izvedbe toplote se materiali razvrščajo v:

- Toplotni vodniki : diamant in kovine, kot so baker, železo, cink in aluminij, med drugim. Običajno so dobri prevodniki električne energije tudi dobri prevodniki toplote.

- Toplotni izolatorji : les, guma, stekloplastika, plastika, papir, volna, anime, pluta, polimeri so dobri primeri. Tudi plini niso dobri prevodniki.

Toplotna prevodnost materialov

Lastnost, ki sama po sebi karakterizira način, kako vsak od njih izvaja toploto, se imenuje toplotna prevodnost. Višja kot je toplotna prevodnost snovi, boljša je toplotna prevodnost snovi.

Toplotna prevodnost snovi je določena eksperimentalno. V mednarodnem sistemu enot SI se toplotna prevodnost meri v Watt / (meter x kelvin) ali W / (mK). Razlaga se tako:

Druga enota za toplotno prevodnost, ki se uporablja v anglosaksonskih državah, je BTUH / (ft.ºF), kjer BTUH pomeni britanska toplotna enota na uro.

Toplota teče skozi trdno snov, kadar obstaja razlika v temperaturi med njenimi konci. Vir: Wikimedia Commons.

Vrednosti toplotne prevodnosti

Spodaj so toplotne prevodnosti nekaterih elementov in materialov, ki jih najdemo v naravi in ​​ki se pogosto uporabljajo v industriji.

Vendar je treba opozoriti, da obstajajo sintetične spojine, ki so še v poskusni fazi, katerih toplotna prevodnost daleč presega diamant, ki vodi na mizo.

Temperatura je odločilna za vrednost toplotne prevodnosti kovin. Ko se temperatura povečuje, se poveča tudi toplotna prevodnost (čeprav se električna prevodnost zmanjšuje). Pri nekovinah je toplotna prevodnost približno konstantna v širokem temperaturnem območju.

Vrednosti v tabeli so določene pri 25 ° C in 1 atmosferskem tlaku.

Pri izbiri materiala za njegove toplotne lastnosti je treba upoštevati, da se širi s toploto. Ta kapaciteta je podana s koeficientom toplotne ekspanzije.

Glavni toplotni prevodniki

Diamant

Diamant je najboljši toplotni prevodnik v naravi. Vir: Robert Lavinsky prek Wikimedia Commons.

Je najboljši toplotni prevodnik pri sobni temperaturi, veliko boljši od bakra in katere koli druge kovine. V diamantu, ki je električni izolator, toplota ne teče skozi prevodne elektrone, temveč s širjenjem vibracij v svoji visoko organizirani kristalni strukturi. Te vibracije imenujemo fononi.

Ima tudi nizek koeficient toplotne ekspanzije, kar pomeni, da bodo njegove dimenzije ob segrevanju ostale blizu prvotnih. Kadar je potreben dober toplotni prevodnik, ki ne vodi električne energije, je diamant najboljša možnost.

Zaradi tega se pogosto uporablja za odstranjevanje toplote, ki jo proizvajajo vezja v računalnikih in drugih elektronskih napravah. Ima pa veliko pomanjkljivost: je izjemno drag. Čeprav obstajajo sintetični diamanti, jih ni enostavno izdelati in so tudi dragi.

Srebrna

Srebrni kovanci

Je zelo cenjena kovina za okras zaradi svojega sijaja, barve in previdnosti. Odporen je na oksidacijo, med vsemi kovinami pa je tisti, ki ima najvišjo toplotno prevodnost, pa tudi odlično električno prevodnost.

Zaradi tega ima več možnosti uporabe v industriji, samostojno in v zlitinah z drugimi elementi, kot sta nikelj in paladij.

Iz čistega srebra, tiskanih vezij so izdelani visokotemperaturni superprevodni kabli in prevlečeni prevodniki, ki se uporabljajo v elektroniki, poleg tega, da se uporabljajo v zlitini za vzpostavitev električnih stikov.

Pomanjkljivost je, da je razmeroma redek in zato drag, a edinstvena kombinacija fizičnih lastnosti za te aplikacije je odlična alternativa, saj je zelo prilagodljiv in z njim dobimo dobre dolžine vodnikov.

baker

Bakrene žice

Je ena najpogosteje uporabljenih kovin, kadar je potrebna dobra toplotna prevodnost, saj ne korodira zlahka in je tališče precej visoko, kar pomeni, da se ob izpostavitvi vročini ne bo stopilo zlahka.

Druge prednosti, ki jih ima, je njegova duktilnost, poleg tega, da ni magnetna. Baker je mogoče reciklirati in je veliko cenejši od srebra. Vendar je njen koeficient toplotne ekspanzije visok, kar pomeni, da se njegove dimenzije ob segrevanju opazno spremenijo.

Zaradi dobrih toplotnih lastnosti se pogosto uporablja v kuhinjskih pripomočkih, kot so na primer bakreni lonci, prekriti z jeklom. Tudi za izdelavo toplotnih izmenjevalnikov v rezervoarjih za toplo vodo, v sistemih centralnega ogrevanja, radiatorjih avtomobilov in za odvajanje toplote v elektronskih napravah.

Zlato

Predispanjska zlata maska

Je odlična plemenita kovina in zavzema prevladujoče mesto v zgodovini človeštva. Poleg tega posebnega pomena je zlato kovinsko, odporno in odličen prevodnik toplote in električne energije.

Ker zlato ne korodira, se uporablja za prenašanje majhnih tokov v trdnih elektronskih komponentah. Ti tokovi so tako majhni, da jih je mogoče zlahka prekiniti ob najmanjšem znaku korozije, zato zlato zagotavlja zanesljive elektronske komponente.

Uporablja se tudi za izdelavo priključkov za slušalke, kontakte, releje in za patch kable. Naprave, kot so pametni telefoni, kalkulatorji, prenosni računalniki in namizni računalniki ter televizorji, vsebujejo majhne količine zlata.

Posebna očala za klimatske prostore vsebujejo tudi razpršeno zlato, tako da pomagajo odsevati sončno sevanje zunaj, ohranjajo svežino v notranjosti, ko je zelo vroče. Na enak način pomagajo ohranjati notranjo toploto v stavbi, ko je pozimi.

Litij

Litij-ionska baterija. Avtor: gospod Mr. ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * fotografijski dan, avgust, 2005 * fotografska oseba Aney. Vir: Wikimedia Commons.

Je najlažja od vseh kovin, čeprav je zelo reaktivna, zato zlahka korodira. Z njim morate ravnati tudi zelo previdno, saj je zelo vnetljiv. Kljub temu, da je obilen, ga ne najdemo v prostem stanju, temveč v spojinah, zaradi česar ga moramo na splošno izolirati z elektrolitskimi metodami.

Njegova toplotna prevodnost je podobna kot pri zlatu, vendar je veliko cenejša od te. Litijev karbonat je spojina, ki se uporablja pri izdelavi toplotno odpornega stekla in keramike.

Druga široka uporaba litija je izdelava dolgotrajnih, lahkih baterij, za katere se za pridobivanje kovinskega litija uporablja litijev klorid. Dodano pri predelavi aluminija povečuje njegovo električno prevodnost in znižuje delovne temperature.

Aluminij

Žlica iz aluminija. Vir: Carsten Niehaus

Ta lahka, poceni, zelo odporna in enostavna kovina je eden glavnih materialov, ki se uporabljajo za izdelavo toplotnih izmenjevalnikov v klimatski opremi, kot so klimatske naprave in grelniki.

Tako v domačem kot industrijskem sektorju aluminijasti pripomočki se veliko uporabljajo v kuhinjah po vsem svetu.

Aluminijasti pripomočki, kot so lonci, ponve in listi za peko, so izjemno učinkoviti. Ne spreminjajo okusa hrane in omogočajo, da se toplota med kuhanjem hitro in enakomerno širi.

Ne glede na to so aluminijaste lonce in ponve izpodrinile nerjavno jeklo, ki ni tako dober prevodnik toplote. To je zato, ker nerjavno jeklo ne reagira z močnejšimi kislinami, kot je na primer paradižnikova omaka.

Zato je bolje, da paradižnikove omake izdelujemo v jeklenih pripomočkih, da preprečimo vnos aluminija v hrano, saj nekateri povezujejo aluminij - prisoten v antacidih, talku, deodorantih in mnogih drugih izdelkih - s pojavom degenerativnih bolezni oz. čeprav večina strokovnjakov, pa tudi FDA, to hipotezo zavračajo.

Aluminijasta ponev v ospredju. Vir: Pixabay.

Kuhinjske posode, izdelane iz eloksiranega aluminija, ne tvegajo sproščanja aluminijevih delcev in jih je načeloma mogoče uporabljati z večjo varnostjo.

Bronasta

Bron teh starodavnih zvonov dokazuje uporabnost kovin za okrasne ali verske namene. Vir: Pxhere.

Bron je v osnovi zlitina bakra in kositra, v manjši meri z drugimi kovinami. Prisotna je že od antičnih časov v zgodovini človeštva.

Tako pomembno je, da je bilo obdobje prazgodovine celo poimenovano kot bronasta doba, čas, ko so ljudje odkrivali in začeli uporabljati lastnosti te zlitine.

Bron je odporen proti koroziji in enostaven za delo. Sprva so ga uporabljali za izdelavo različnih pripomočkov, orodij, nakita, umetniških predmetov (na primer kipov) in orožja, pa tudi za kovanje kovancev. Danes se še vedno uporablja za izdelavo cevi, mehanskih delov in glasbil.

Cink

Pazi na steklo z cinkovim oksidom. Vir: Adam Rędzikowski

Je zelo kovinska in nodularna modrikasto-bela kovina, enostavna za delo, čeprav z nizkim tališčem. Znana je že od antičnih časov, uporablja se predvsem v zlitinah.

Trenutno se uporablja za galvaniziranje jekla in s tem zaščito pred korozijo. Tudi za proizvodnjo baterij, pigmentov in izdelavo posebnih cink listov za gradbeništvo.

Železo

Železo vložek na magnet. Vir: Aney prek Commons Wikimedia.

Železo je še ena kovina z velikim zgodovinskim pomenom. Tako kot bron je tudi železo povezano s prazgodovino, v kateri je prišlo do velikega tehnološkega napredka: železne dobe.

Danes je iz litega železa še vedno veliko aplikacij za izdelavo orodij, pripomočkov v gradbeništvu in kot materiala za izdelavo avtomobilskih delov.

Železo je zelo dober prevodnik toplote, kot smo videli. Železni predmeti zelo dobro porazdelijo toploto in jo zadržijo dlje časa. Ima tudi visoko tališče, zaradi česar je odporen na visoke temperature, od tod tudi njegova uporabnost pri izdelavi vseh vrst peči, industrijskih in gospodinjskih.

Reference

1. CK-12. Toplotni prevodniki in izolatorji. Pridobljeno: ck12.org.
2. Baker: Lastnosti in aplikacije. Pridobljeno: copperalliance.org.
3. Effunda. Lastnosti splošnih trdnih materialov. Pridobljeno s strani efunda.com
4. Hill, D. Toplotne lastnosti litega železa. Pridobljeno: ehow.com.
5. King, H. Številne uporabe zlata. Pridobljeno: geology.com.
6. Litij. Pridobljeno: gob.mx.
7. Ponovno ustvarjalna fizika. Prenos toplote. Pridobljeno: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedija. Seznam toplotnih prevodnosti. Pridobljeno: es.wikipedia.org.