9 CONDUCTOARE DE CĂLDURĂ ȘI CARACTERISTICILE LOR - ŞTIINŢĂ - 2025

De conductorii de căldură sunt materiale a căror structură este de așa natură încât căldura să poată trece prin ele cu ușurință. Trebuie amintit că toată materia este compusă din atomi și molecule aflate în mișcare vibratorie constantă și că căldura se traduce într-o agitație mai mare a acestor particule.

Unele materiale conduc căldura mai bine decât altele, deoarece configurația lor internă facilitează acest flux de energie. Lemnul, de exemplu, nu este un bun conductor de căldură, deoarece durează mult timp pentru a se încălzi. În schimb, fierul, cuprul și alte metale sunt, ceea ce înseamnă că particulele lor dobândesc foarte multă energie cinetică.

Grăsimea termică folosită în cipurile de calculator este un bun conductor de căldură, dar nu și de electricitate. Sursa: Wikimedia Commons.

Acesta este motivul pentru care metalele sunt preferatele pentru fabricarea ustensilelor de bucătărie, cum ar fi ghivece și tigăi. Se încălzește rapid și ating temperaturi suficient de ridicate pentru ca mâncarea să gătească corect.

Cu toate acestea, mânerele și mânerele, care sunt în contact cu mâinile utilizatorului, sunt fabricate din alte materiale termoizolante. În acest fel, tigăile sunt ușor de manevrat chiar și atunci când sunt fierbinți.

Tipuri de conductoare

În funcție de modul lor de a conduce căldura, materialele sunt clasificate în:

- Conductori termici : diamant și metale precum cupru, fier, zinc și aluminiu, printre altele. De obicei, conductori buni de electricitate sunt, de asemenea, buni conductori de căldură.

- Izolatori termici : lemn, cauciuc, fibră de sticlă, plastic, hârtie, lână, anime, plută, polimeri sunt exemple bune. Gazele nu sunt nici bune conductoare.

Conductivitatea termică a materialelor

Proprietatea care caracterizează intrinsec modul în care fiecare dintre ele conduce căldura se numește conductivitate termică. Cu cât conductibilitatea termică a unei substanțe este mai mare, cu atât aceasta conduce mai bine căldura.

Conductivitatea termică a substanțelor este determinată experimental. În Sistemul Internațional de Unități SI, conductivitatea termică este măsurată în Watt / (metru x kelvin) sau W / (mK). Se interpretează astfel:

O altă unitate pentru conductivitatea termică folosită în țările anglo-saxone este BTUH / (ft.ºF), unde BTUH reprezintă unitatea termică britanică pe oră.

Căldura curge prin solid când există o diferență de temperatură între capetele sale. Sursa: Wikimedia Commons.

Valorile conductivității termice

Mai jos sunt conductivitățile termice ale unor elemente și materiale găsite în natură și care sunt utilizate frecvent în industrie.

Cu toate acestea, trebuie menționat că există compuși sintetici, încă în faza experimentală, a căror conductibilitate termică o depășește cu mult pe cea a diamantului, care conduce masa.

Temperatura este decisivă în valoarea conductivității termice a metalelor. Pe măsură ce temperatura crește, la fel și conductivitatea termică (deși conductivitatea electrică scade). Pentru nemetalele, conductivitatea termică este aproximativ constantă pe o gamă largă de temperatură.

Valorile din tabel sunt specificate la 25ºC și 1 presiune atmosferică.

Atunci când selectați un material pentru proprietățile sale termice, este necesar să se țină cont de faptul că acesta se extinde cu căldura. Această capacitate este dată de coeficientul de expansiune termică.

Principalii conductori de căldură

Diamant

Diamantul este cel mai bun conductor termic din natură. Sursa: Robert Lavinsky prin Wikimedia Commons.

Este cel mai bun conductor termic la temperatura camerei, mult mai bun decât cuprul și orice alt metal. În diamant, care este un izolator electric, căldura nu circulă prin electroni de conducere, ci prin propagarea vibrațiilor în structura sa cristalină extrem de organizată. Aceste vibrații se numesc fononi.

De asemenea, are un coeficient scăzut de expansiune termică, ceea ce înseamnă că dimensiunile sale vor rămâne apropiate de cele originale atunci când sunt încălzite. Atunci când este necesar un conductor bun de căldură care nu conduce electricitate, diamantul este cea mai bună opțiune.

Ca urmare, este utilizat pe scară largă pentru a îndepărta căldura produsă de circuite în computere și alte dispozitive electronice. Are însă un dezavantaj major: este extrem de scump. Deși există diamante sintetice, acestea nu sunt ușor de confecționat și sunt, de asemenea, scumpe.

Argint

Bani de argint

Este un metal foarte apreciat pentru ornamentare datorită strălucirii, culorii și maleabilității sale. Este rezistent la oxidare și dintre toate metalele este cea cu cea mai mare conductivitate termică, precum și o conductibilitate electrică excelentă.

Din acest motiv, are multiple aplicații în industrie, atât singure, cât și în aliaje cu alte elemente, cum ar fi nichel și paladiu.

Cu circuite imprimate cu argint pur, se realizează cabluri supraconductoare la temperatură înaltă, iar conductoarele utilizate în electronică sunt acoperite, pe lângă faptul că sunt utilizate în aliaj pentru a realiza contacte electrice.

Are dezavantajul de a fi relativ scăzut și, prin urmare, scump, dar combinația unică de proprietăți fizice pentru aceste aplicații o face o alternativă excelentă, deoarece este foarte flexibil și, odată cu aceasta, se obțin conductori de lungime bună.

Cupru

Firuri de cupru

Este unul dintre cele mai utilizate metale atunci când este necesară o conductibilitate termică bună, deoarece nu se corodează ușor, iar punctul său de topire este destul de ridicat, ceea ce înseamnă că nu se va topi ușor atunci când este expus la căldură.

Alte avantaje pe care le are este ductilitatea sa, pe lângă faptul că nu sunt magnetice. Cuprul este reciclabil și este mult mai puțin costisitor decât argintul. Cu toate acestea, coeficientul său de expansiune termică este ridicat, ceea ce înseamnă că dimensiunile sale se schimbă considerabil atunci când sunt încălzite.

Datorită proprietăților termice bune, este utilizat pe scară largă în ustensilele de bucătărie, cum ar fi vasele de cupru acoperite cu oțel, de exemplu. De asemenea, pentru fabricarea schimbătoarelor de căldură în rezervoarele de apă caldă, în sistemele de încălzire centrală, caloriferele auto și pentru disiparea căldurii în dispozitivele electronice.

Aur

Masca de aur prehispanica

Este metalul prețios prin excelență și ocupă un loc preponderent în istoria omenirii. În afară de acest sens special, aurul este maleabil, rezistent și un excelent conductor de căldură și electricitate.

Deoarece aurul nu se corodează, este utilizat pentru a transporta curenți mici în componente electronice în stare solidă. Acești curenți sunt atât de mici încât pot fi întrerupeți cu ușurință la cel mai mic semn de coroziune, motiv pentru care aurul garantează componente electronice fiabile.

De asemenea, este utilizat pentru fabricarea de conectori pentru căști, contacte, relee și cabluri de plasture. Dispozitive precum smartphone-uri, calculatoare, laptopuri și desktop-uri și televizoare conțin cantități mici de aur.

Ochelarii speciali pentru spațiile de aer condiționat conțin și aur dispersat, astfel încât acestea ajută la reflectarea radiației solare în exterior, păstrând prospețimea în interior când este foarte cald. În același mod, ele ajută la menținerea căldurii interne în clădire când este iarnă.

litiu

Baterie cu ioni de litiu. Autor: Mr. ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * ziua fotografiei, august 2005 * persoană fotografică Aney. Sursa: Wikimedia Commons.

Este cel mai ușor dintre toate metalele, deși este foarte reactiv, astfel încât se corodează ușor. De asemenea, trebuie să vă descurcați cu multă precauție, deoarece este foarte inflamabil. Datorită acestui fapt, deși este abundent, nu se găsește în stare liberă, ci în compuși, motiv pentru care trebuie izolată în general prin metode electrolitice.

Conductivitatea sa termică este similară cu cea a aurului, dar este mult mai ieftină decât aceasta. Carbonatul de litiu este un compus utilizat la fabricarea sticlei și ceramicii termorezistente.

O altă utilizare pe scară largă a litiului este fabricarea de baterii de lungă durată, ușoare, pentru care clorura de litiu este utilizată pentru a extrage litiu metalic. Adăugat la prelucrarea aluminiului, își mărește conductivitatea electrică și scade temperaturile de funcționare.

Aluminiu

Cupă de metal din aluminiu. Sursa: Carsten Niehaus

Acest metal ușor, ieftin, foarte rezistent și ușor de utilizat este unul dintre materialele principale utilizate pentru fabricarea schimbătorilor de căldură în echipamentele de climatizare, cum ar fi aparate de aer condiționat și încălzitoare.

Atât pe plan intern cât și industrial, ustensilele din aluminiu sunt utilizate pe scară largă în bucătăriile din întreaga lume.

Ustensilele din aluminiu, cum ar fi vasele, tigăile și foile de copt sunt extrem de eficiente. Acestea nu schimbă aroma mâncării și permit căldura să se răspândească rapid și uniform atunci când gătiți.

Indiferent, vasele și cratițele din aluminiu au fost deplasate de oțel inoxidabil, care nu este la fel de bun pentru un conductor de căldură. Acest lucru se datorează faptului că oțelul inoxidabil nu reacționează cu acizii mai puternici, cum ar fi sosul de roșii, de exemplu.

De aceea, este de preferat să se facă sosuri de roșii în ustensile de oțel, pentru a preveni intrarea aluminiului în alimente, deoarece unele au aluminiu asociat - prezent în antiacide, talcuri, deodorante și multe alte produse - cu apariția unor boli degenerative; deși majoritatea experților, precum și FDA, resping această ipoteză.

Cratiță din aluminiu în prim-plan. Sursa: Pixabay.

Articole de gătit fabricate din aluminiu anodizat nu prezintă riscul de a elibera particule de aluminiu și, în principiu, pot fi utilizate cu mai multă siguranță.

Bronz

Bronzul acestor clopote antice demonstrează utilitatea metalelor în scopuri ornamentale sau religioase. Sursa: Pxhere.

Bronzul este un aliaj de cupru și staniu în principal, cu alte metale într-o măsură mai mică. A fost prezent încă din cele mai vechi timpuri în istoria omenirii.

Este atât de important că o perioadă a preistoriei a fost numită chiar epoca bronzului, perioada în care oamenii au descoperit și au început să folosească proprietățile acestui aliaj.

Bronzul este rezistent la coroziune și ușor de lucrat. Inițial a fost folosit pentru confecționarea diverselor ustensile, unelte, bijuterii, obiecte de artă (sculpturi de exemplu) și arme, precum și pentru montarea monedelor. Astăzi este încă utilizat pentru confecționarea țevilor, pieselor mecanice și instrumentelor muzicale.

Zinc

Urmăriți sticla cu oxid de zinc. Sursa: Adam Rędzikowski

Este un metal alb-albăstrui foarte maleabil și ductil, ușor de lucrat, deși cu un punct de topire scăzut. Este cunoscut din cele mai vechi timpuri, folosit mai ales în aliaje.

În prezent este folosit pentru a galvaniza oțelul și, astfel, a-l proteja de coroziune. De asemenea, pentru fabricarea bateriilor, pigmenților și fabricarea de foi speciale de zinc pentru industria construcțiilor.

Fier

Filaturi de fier pe un magnet. Sursa: Aney via Commons Wikimedia.

Fierul este un alt metal cu o mare însemnătate istorică. Ca și bronzul, fierul este legat de o etapă a preistoriei în care au avut loc mari progrese tehnologice: Epoca Fierului.

Astăzi fontă continuă să aibă multe aplicații pentru fabricarea de scule, ustensile, în construcții și ca material pentru fabricarea pieselor auto.

Fierul este un foarte bun conductor de căldură, așa cum am văzut. Obiectele din fier distribuie foarte bine căldura și o mențin mult timp. De asemenea, are un punct de topire ridicat, ceea ce îl face rezistent la temperaturi ridicate, de unde și utilitatea sa la fabricarea tuturor tipurilor de cuptoare, atât industriale, cât și casnice.

Referințe

1. CK-12. Conductoare și izolatoare termice. Recuperat de la: ck12.org.
2. Cupru: proprietăți și aplicații. Recuperat de la: copperalliance.org.
3. Effunda. Proprietățile materialelor solide ale comunelor. Recuperat de la efunda.com
4. Hill, D. Proprietăți termice ale fontului. Recuperat de la: ehow.com.
5. King, H. Multe utilizări ale aurului. Recuperat din: geology.com.
6. Litiu. Recuperat de la: gob.mx.
7. Fizica recreatoare. Transmisia de căldură Recuperat de la: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Lista conductivităților termice. Recuperat de la: es.wikipedia.org.