ما هي صفات المواد الموصلة للحرارة

من صفات المواد الموصلة للحرارة أنها تكون

من صفات المواد الموصلة للحرارة أنها تكون

ذات حركة حرة وضعيفة الارتباط بنواة الذرة .

توصل المعادن الحرارة عن طريق السماح للإلكترونات الحرة بالانتقال بين الذرات، ولا ترتبط هذه الإلكترونات بنواة ذرة واحدة أو رابطة تساهمية نظرًا لأن الشحنات المتشابهة تتنافر مع بعضها البعض، لذلك؛ فمن أهم صفات المواد الموصله للحرارة أن يتوافر بها إلكترونات ذات حركة حرة، وأن تكون ضعيفة الإرتباط بنواة الذرات، كما يجدر بنا ذكر أن المعادن النقية تميل إلى توفير أفضل درجة توصيل للحرارة؛ حيث في معظم المعادن، يؤدي وجود الشوائب إلى تقييد حركة الإلكترونات الحرة. وبالمقارنة مع المعادن النقية، فإن العناصر التي تضاف كعوامل صناعة السبائك يمكن اعتبارها “شوائب”، لذلك تميل السبائك إلى تقديم توصيل للحرارة أقل من المعدن النقي.

وتوفر الفضة النقية والنحاس أعلى درجة توصيل للحرارة، مع وجود عنصر الألومنيوم بدرجة أقل، كما ويوفر الفولاذ المقاوم للصدأ درجة توصيل للحرارة منخفضة، وبعض المواد -بما في ذلك النحاس- توصل بسهولة كل من الحرارة والكهرباء. بينما البعض الآخر -مثل الزجاج- يوصل الحرارة ولا يوصل الكهرباء. [1]

والإلكترونات الموجودة في المعدن عبارة عن إلكترونات غير متمركزة وإلكترونات متحركة وحرة، لذلك عندما تكتسب طاقة (حرارة) فإنها تهتز بسرعة أكبر ويمكنها التحرك، وهذا يعني أنها تستطيع تمرير الطاقة بسرعة أكبر. [2]

التوصيل الحراري

التوصيل الحراري


هو



نقل الطاقة الحرارية الداخلية عن طريق اصطدام الجسيمات المجهرية وحركة الإلكترونات داخل الجسم


، ويمكن أن تكون تلك الجسيمات المجهرية عبارة عن جزيئات وذرات وإلكترونات، كما أنه عبارة عن تدفق الحرارة في الجسم بسبب اختلاف درجة الحرارة ويحدث بواسطة حركة الإلكترونات داخل الجسم ذاته، ويستمر نقل الحرارة بالتوصيل حتى يصل الجسم إلى ظروف التوازن الحراري.

يحدث نقل الحرارة بالتوصيل أيضًا عندما تتلامس الأجسام الصلبة ذات درجات الحرارة المختلفة مع بعضها البعض؛ حيث تنتقل الحرارة عبر الإلكترونات المتنقلة، وعندما يزداد عدد الإلكترونات المتنقلة، تكون قدرة الجسم على التوصيل الحراري أعلى؛ أي أن هناك علاقة بين التوصيل الحراري وعدد الإلكترونات المتنقلة. لذلك، فإن المعادن توصل الحرارة بشكل أفضل من البلاستيك أو الخشب، وعندما تتم مقارنة التوصيل الحراري بالتوصيل الكهربائي، يُلاحظ وجود ارتباط قوي بين التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي.

يتم تعريف التوصيل الحراري من خلال “قانون فورييه للتوصيل الحراري”؛ والذي ينص على أن معدل تدفق الحرارة يتناسب مع المقطع العرضي وأن اختلاف درجة الحرارة في الجسم الصلب المتجانس يتناسب طرديًا، كما ينص القانون على أن المعدل الزمني لانتقال الحرارة من خلال مادة ما يتناسب مع التدرج السالب في درجة الحرارة. [3]

المواد الموصلة للحرارة

• ألماس.
• الفضة.
• النحاس.
• الذهب.
• نيتريد الألمونيوم.
• كبريتيد السليكون.
• الألومنيوم.
• التنجستين.
• الجرافيت.
• الزنك.

التوصيل الحراري هو مقياس لقدرة المواد على تمرير الحرارة من خلالها؛ فيمكن للمواد ذات درجة التوصيل الحراري العالية أن تنقل الحرارة بشكل فعال وتتسع للحرارة بسهولة في داخلها، توجد بعض العناصر ذات درجة توصيل عالية وتختلف قيم توصيلها عن بعضها، ومن أفضل 10 مواد جيدة التوصيل الحراري:

الماس:

قيمته التوصيلية “2000 – 2200 واط /  م.ك”، وهو المادة الرائدة الموصلة للحرارة وله قيم موصلية تقاس 5 مرات أعلى من النحاس، وهو المعدن الأكثر تصنيعًا في الولايات المتحدة، تتكون ذرات الماس من سلاسل مترابطة من الكربون وهو عبارة عن بنية جزيئية مثالية لنقل الحرارة بشكل فعال، كما أن الماس هو عنصر مهم في العديد من الأجهزة الإلكترونية المحمولة باليد؛ حيث يكمن دوره في الإلكترونيات في تشتيت الحرارة وحماية أجزاء الكمبيوتر الحساسة.

الفضة:

قيمته التوصيلية “429 وات / م.ك”،والفضة هو موصل حراري غير مكلف نسبيًا وموفر، كما أن الفضة هو أحد مكونات العديد من الأجهزة وهي واحدة من أكثر المعادن تنوعًا نظرًا لقابليتها للتشكيبل، فيتم استخدام 35٪ من الفضة المصنعة في الولايات المتحدة للأدوات الكهربائية والإلكترونيات.

النحاس:

قيمته التوصيلية “398 وات / م.ك”، والنحاس هو المعدن الأكثر استخدامًا في تصنيع الأجهزة الموصلة في الولايات المتحدة، النحاس لديه نقطة انصهار عالية ومعدل تآكل معتدل، كما أنه معدن فعال للغاية لتقليل فقد الطاقة أثناء نقل الحرارة.

الذهب:

قيمته التوصيلية “315 واط / م.ك”، والذهب معدن نادر ومكلف يستخدم في تطبيقات موصلة معينة. على عكس الفضة والنحاس، نادرًا ما يفسد الذهب ويمكنه تحمل الظروف التي تعرضه للتآكل.

نيتريد الألومنيوم:

قيمته التوصيلية “310 واط / م.ك”

،

كثيرا ما يستخدم نيتريد الألومنيوم لأنه لا يشكل خطراً على الصحة عند تصنيعه، وهو أحد المواد القليلة المعروفة التي توفر العزل الكهربائي إلى جانب الموصلية الحرارية العالية، وتتميز بمقاومة غير عادية للصدمات الحرارية وتعمل كعازل كهربائي في الرقائق الميكانيكية التصنيعية.

كربيد السيليكون:

قيمته التوصيلية “270 واط / م.ك”، وهو أشباه موصلات تتكون من خليط متوازن من ذرات السيليكون والكربون. عند تصنيعها ودمجها معًا ، يتم ربط السيليكون والكربون لتشكيل مادة شديدة الصلابة والمتانة. غالبًا ما يستخدم هذا الخليط كمكون لمكابح السيارات وآلات التوربينات وفي خلائط الفولاذ.

الألومنيوم:

قيمته التوصيلية “247 واط / م.ك”، ويستخدم الألمنيوم بشكل عام كبديل فعال من حيث التكلفة للنحاس، وعلى الرغم من أن الألمنيوم ليس موصلًا مثل النحاس، إلا أنه متوفر بكثرة ويسهل التعامل معه نظرًا لانخفاض نقطة انصهاره.

التنجستين:

قيمته التوصيلية “173 واط / م.ك”

،

ويتميز التنجستن بنقطة انصهار عالية وضغط بخار منخفض مما يجعله مادة مثالية للأجهزة التي تتعرض لمستويات عالية من الكهرباء، وغالبًا ما يستخدم في المصابيح الكهربائية وكمكون لأنابيب أشعة الكاثود.

الجرافيت:

قيمته التوصيلية “168 واط / م.ك”

،

يعد الجرافيت بديلاً وفيرًا ومنخفض التكلفة وخفيف الوزن مقارنةً بالعناصر الأخرى، وكثيرًا ما يستخدم كإضافة إلى مخاليط البوليمر لتعزيز خصائص التوصيل الحراري.

الزنك:

قيمته التوصيلية “116 وات / م.ك”، الزنك هو أحد المعادن القليلة التي يمكن دمجها بسهولة مع معادن أخرى لتكوين سبائك معدنية (خليط من معادن أو أكثر). 20٪ من أجهزة الزنك في الولايات المتحدة مكونة من سبائك الزنك. [4]

طرق انتقال الحرارة

• التوصيل.
• الحمل الحراري.
• الإشعاع.

الحرارة هي نقل الطاقة (الحرارة) من جسم دافئ إلى جسم أكثر برودة. ويمكن نقل الحرارة بثلاث طرق: عن طريق التوصيل والحمل والإشعاع.

التوصيل:

عبارة عن نقل الحرارة من جزيء إلى آخر عن طريق التوصيل المباشر بين الجسمين، ويحدث هذا النقل عندما تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، ويعمل التوصيل بشكل جيد في المواد التي تحتوي على جزيئات بسيطة تقع بالقرب من بعضها البعض (المواد الصلبة). على سبيل المثال، يعد المعدن موصلًا أفضل من الخشب أو البلاستيك.

الحمل الحراري:

هو حركة الحرارة بواسطة سائل مثل الماء أو الهواء؛ حيث ينتقل الجسم (السائل أو الغاز) من مكان إلى آخر، وينقل الحرارة معه، تسمى هذه الحركة لكتلة من الماء الساخن أو الهواء بـ”التيار”.

الإشعاع:

هو انتقال الحرارة بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية. عندما تقف في الشمس، تشعر بالدفء بسبب الموجات الكهرومغناطيسية، وخاصة الأشعة تحت الحمراء (توجد بدرجة أقل في الضوء المرئي) التي تنتقل من الشمس إلى الأرض. بالإضافة إلى الشمس، تقوم المصابيح الكهربائية والمكاوي أيضًا بنقل الحرارة عبر الإشعاع. لاحظ أنه -على عكس التوصيل أو الحمل الحراري- لا يحتاج نقل الحرارة بالإشعاع إلى أي مادة للمساعدة في النقل. [5]