9 SILTUMA VADĪTĀJI UN TO ĪPAŠĪBAS - ZINĀTNE - 2025

Par siltuma vadītāji ir materiāli, kuru struktūra ir tāda, ka siltumu var iet caur tiem viegli. Jāatceras, ka visa matērija sastāv no atomiem un molekulām pastāvīgā vibrācijas kustībā un ka siltums pārvērš šo daļiņu lielāku uzbudinājumu.

Daži materiāli labāk izvada siltumu nekā citi, jo to iekšējā konfigurācija atvieglo šo enerģijas plūsmu. Piemēram, koksne nav labs siltumvadītājs, jo tam nepieciešams ilgs laiks. Bet, no otras puses, dzelzs, varš un citi metāli ir, kas nozīmē, ka to daļiņas ļoti ātri iegūst kinētisko enerģiju.

Datoru mikroshēmās izmantotā termiskā smērviela ir labs siltuma, bet ne elektrības vads. Avots: Wikimedia Commons.

Tāpēc metāli ir iecienītākie virtuves piederumu, piemēram, katlu un pannu, izgatavošanai. Viņi ātri uzkarst un sasniedz pietiekami augstu temperatūru, lai ēdiens varētu pienācīgi pagatavot.

Tomēr rokturi un rokturi, kas nonāk saskarē ar lietotāja rokām, ir izgatavoti no citiem siltumizolējošiem materiāliem. Šādā veidā pannas ir viegli apstrādājamas pat karstā laikā.

Diriģentu veidi

Materiālus atkarībā no to siltuma vadīšanas veida klasificē:

- Siltumvadītāji : dimants un metāli, piemēram, varš, dzelzs, cinks un alumīnijs. Parasti labi elektrības vadītāji ir arī labi siltuma vadītāji.

- Labi piemēri ir siltumizolatori : koks, gumija, stikla šķiedra, plastmasa, papīrs, vilna, anime, korķis, polimēri. Arī gāzes nav labi vadītāji.

Materiālu siltumvadītspēja

Īpašību, kas pēc būtības raksturo veidu, kā katrs no tiem vada siltumu, sauc par siltumvadītspēju. Jo augstāka ir vielas siltumvadītspēja, jo labāk tā vada siltumu.

Vielu siltumvadītspēju nosaka eksperimentāli. SI starptautiskajā mērvienību sistēmā siltumvadītspēju mēra vatos / (metrs x kelvini) vai W / (mK). To interpretē šādi:

Vēl viena siltumvadītspējas vienība, ko izmanto anglosakšu valstīs, ir BTUH / (pēdas ºF), kur BTUH apzīmē Lielbritānijas siltuma vienību stundā.

Siltums plūst caur cietu vielu, ja starp tā galiem ir atšķirīga temperatūra. Avots: Wikimedia Commons.

Siltumvadītspējas vērtības

Zemāk ir parādīti dažu dabā sastopamu un rūpniecībā bieži izmantojamu elementu un materiālu siltumvadītspējas.

Tomēr jāņem vērā, ka joprojām ir sintētiski savienojumi, kas joprojām atrodas eksperimenta fāzē un kuru siltumvadītspēja ievērojami pārsniedz dimanta, kurš vada galdu.

Temperatūra ir izšķiroša metālu siltumvadītspējas vērtībā. Palielinoties temperatūrai, palielinās arī siltuma vadītspēja (kaut arī elektriskā vadītspēja samazinās). Nemetālu siltumvadītspēja ir aptuveni nemainīga plašā temperatūras diapazonā.

Tabulā norādītās vērtības ir norādītas pie 25ºC un 1 atmosfēras spiediena.

Izvēloties materiālu pēc tā termiskajām īpašībām, ir jāņem vērā, ka tas izplešas ar siltumu. Šo jaudu piešķir termiskās izplešanās koeficients.

Galvenie siltumvadītāji

Dimants

Dimants ir labākais siltuma vadītājs dabā. Avots: Roberts Lavinskis, izmantojot Wikimedia Commons.

Tas ir labākais siltumvadītājs istabas temperatūrā, daudz labāks nekā varš un jebkurš cits metāls. Dimantu, kas ir elektriskais izolators, siltums neplūst caur vadīšanas elektroniem, bet gan ar vibrāciju izplatīšanos tā augsti organizētajā kristāliskajā struktūrā. Šīs vibrācijas sauc par fononiem.

Tam ir arī zems termiskās izplešanās koeficients, kas nozīmē, ka sildot, tā izmēri paliks tuvu sākotnējiem. Ja nepieciešams labs siltumvadītājs, kas nevada elektrību, vislabākais risinājums ir dimants.

Tā rezultātā to plaši izmanto siltuma noņemšanai, ko rada ķēdes datoros un citās elektroniskās ierīcēs. Bet tam ir būtisks trūkums: tas ir ārkārtīgi dārgs. Lai gan ir sintētiski dimanti, tos nav viegli izgatavot, un tie ir arī dārgi.

Sudrabs

Sudraba monētas

Spožuma, krāsas un kaļamības dēļ tas ir augsti novērtēts metāls rotājumiem. Tas ir izturīgs pret oksidāciju, un starp visiem metāliem tas ir ar augstāko siltumvadītspēju, kā arī ar lielisku elektrovadītspēju.

Šī iemesla dēļ tam ir vairākas iespējas rūpniecībā - gan atsevišķi, gan sakausējumos ar citiem elementiem, piemēram, niķeli un pallādiju.

Ar tīru sudrabu, iespiestām shēmām, tiek izgatavoti augstas temperatūras supravadoši kabeļi un pārklāti elektronikā izmantotie vadītāji, turklāt tie tiek izmantoti sakausējumā, lai izveidotu elektriskos kontaktus.

Tā trūkums ir salīdzinoši neliels un tāpēc dārgs, taču šo lietojumu unikālā fizikālo īpašību kombinācija padara to par lielisku alternatīvu, jo tā ir ļoti elastīga un līdz ar to tiek iegūti laba garuma vadītāji.

Vara

Vara stieples

Tas ir viens no visbiežāk izmantotajiem metāliem, kad nepieciešama laba siltumvadītspēja, jo tas viegli nerūsē un tā kušanas temperatūra ir diezgan augsta, kas nozīmē, ka, saskaroties ar karstumu, tas viegli neizkausēsies.

Citas priekšrocības tai ir arī lokanība, turklāt tā nav magnētiska. Varš ir pārstrādājams un ir daudz lētāks nekā sudrabs. Tomēr tā termiskās izplešanās koeficients ir augsts, kas nozīmē, ka sildot, tā izmēri ievērojami mainās.

Labo termisko īpašību dēļ to plaši izmanto virtuves piederumos, piemēram, vara podos, piemēram, ar tērauda pārklājumu. Arī siltummaiņu ražošanai karstā ūdens tvertnēs, centrālās apkures sistēmās, automašīnu radiatoros un siltuma izkliedēšanai elektroniskās ierīcēs.

Zelts

Pirmsspanikas zelta maska

Tas ir dārgmetālu par excellence un ieņem dominējošo vietu cilvēces vēsturē. Neatkarīgi no šīs īpašās nozīmes zelts ir kaļams, izturīgs un lielisks siltuma un elektrības vadītājs.

Tā kā zelts nerūsē, to izmanto nelielu strāvu pārnešanai cietvielu elektroniskos komponentos. Šīs strāvas ir tik mazas, ka tās var viegli pārtraukt pie mazākās korozijas pazīmēm, tāpēc zelts garantē uzticamus elektroniskos komponentus.

To izmanto arī austiņu savienotāju, kontaktu, releju un komutācijas kabeļu ražošanai. Tādas ierīces kā viedtālruņi, kalkulatori, klēpjdatori un galddatori un televizori satur nelielu zelta daudzumu.

Īpašie gaisa kondicionēšanas telpu stikli satur arī izkliedētu zeltu tādā veidā, ka tie palīdz atspoguļot saules starojumu ārpusē, saglabājot svaigumu iekšpusē, kad tas ir ļoti karsts. Tādā pašā veidā tie palīdz uzturēt iekšējo siltumu ēkā, kad ir ziema.

Litijs

Litija jonu akumulators. Autors: ち ゅ ら さ ​​Mr.. Lithium_Battery * fotografēšanas diena, 2005. gada augusts * fotografēšanas persona Aney. Avots: Wikimedia Commons.

Tas ir vieglākais no visiem metāliem, kaut arī ir ļoti reaģējošs, tāpēc tas viegli kodina. Ar to jārīkojas arī ļoti piesardzīgi, jo tas ir viegli uzliesmojošs. Tāpēc, lai arī tas ir bagātīgs, tas nav atrodams brīvā stāvoklī, bet gan savienojumos, tāpēc tas parasti ir jāizolē ar elektrolītiskām metodēm.

Tās siltumvadītspēja ir līdzīga zeltam, taču tā ir daudz lētāka. Litija karbonāts ir savienojums, ko izmanto karstumizturīga stikla un keramikas ražošanā.

Vēl viena plaši izplatīta litija izmantošana ir ilgstošu, vieglu akumulatoru ražošana, kuriem metāliskā litija ieguvei izmanto litija hlorīdu. Pievienots alumīnija apstrādē, tas palielina tā elektrisko vadītspēju un pazemina darba temperatūru.

Alumīnijs

Alumīnija metāla spainis. Avots: Karstens Nīmahauss

Šis vieglais, lēts, ļoti izturīgais un viegli apstrādājamais metāls ir viens no galvenajiem materiāliem, ko izmanto siltummaiņu ražošanai gaisa kondicionēšanas iekārtās, piemēram, gaisa kondicionieros un sildītājos.

Gan iekšzemē, gan rūpniecībā alumīnija piederumi tiek plaši izmantoti virtuvēs visā pasaulē.

Alumīnija trauki, piemēram, katli, pannas un cepešpannas, ir ārkārtīgi efektīvi. Tie nemaina ēdiena garšu un ļauj karstumam ātri un vienmērīgi izplatīties, gatavojot ēdienu.

Neatkarīgi no tā, alumīnija katli un pannas ir aizstāti ar nerūsējošo tēraudu, kas nav tik labs siltumvadītājs. Tas notiek tāpēc, ka nerūsējošais tērauds nereaģē ar stiprākām skābēm, piemēram, piemēram, tomātu mērci.

Tāpēc vēlams tomātu mērces gatavot tērauda traukos, lai novērstu alumīnija iekļūšanu pārtikā, jo daži no tiem ir saistījuši alumīniju - kas atrodas antacīdos, talkās, dezodorantos un daudzos citos produktos - ar deģeneratīvu slimību parādīšanos, lai gan vairums ekspertu, kā arī FDA noraida šo hipotēzi.

Priekšplānā alumīnija kastrolis. Avots: Pixabay.

Virtuves traukiem, kas izgatavoti no anodēta alumīnija, nav riska atbrīvot alumīnija daļiņas, un principā tos var izmantot ar lielāku drošību.

Bronza

Šo seno zvanu bronza parāda metālu lietderību dekoratīvos vai reliģiskos nolūkos. Avots: Pxhere.

Bronza galvenokārt ir vara un alvas sakausējums, mazākā mērā ar citiem metāliem. Cilvēces vēsturē tas ir bijis kopš seniem laikiem.

Ir tik svarīgi, ka Aizvēstures periods pat tika nosaukts par bronzas laikmetu - laiku, kad cilvēki atklāja un sāka izmantot šī sakausējuma īpašības.

Bronza ir izturīga pret koroziju un ar to ir viegli strādāt. Sākotnēji to izmantoja dažādu trauku, instrumentu, rotaslietu, mākslas priekšmetu (piemēram, skulptūru) un ieroču izgatavošanai, kā arī monētu kalšanai. Mūsdienās to joprojām izmanto cauruļu, mehānisku detaļu un mūzikas instrumentu ražošanā.

Cinks

Skatīties glāzi ar cinka oksīdu. Avots: Adam Rędzikowski

Tas ir ļoti kaļams un kaļams zilgani balts metāls, ar kuru ir viegli strādāt, kaut arī ar zemu kušanas temperatūru. Tas ir zināms kopš seniem laikiem, galvenokārt tiek izmantots sakausējumos.

Pašlaik to izmanto tērauda cinkošanai un tādējādi aizsargā to no korozijas. Arī bateriju, pigmentu ražošanai un speciālu cinka loksņu ražošanai būvniecības nozarē.

Dzelzs

Dzelzs pildījumi uz magnēta. Avots: Aney caur Commons Wikimedia.

Dzelzs ir vēl viens metāls ar lielu vēsturisko nozīmi. Tāpat kā bronza, dzelzs ir saistīts ar aizvēstures posmu, kurā notika liels tehnoloģiju progress: dzelzs laikmets.

Mūsdienās čuguna joprojām ir daudz lietošanā, lai izgatavotu instrumentus, piederumus celtniecībā un kā materiālu detaļas automobiļu detaļu ražošanai.

Dzelzs ir ļoti labs siltuma vadītājs, kā mēs redzējām. Dzelzs priekšmeti ļoti labi izplata siltumu un ilgstoši to notur. Tam ir arī augsta kušanas temperatūra, kas padara to izturīgu pret augstām temperatūrām, līdz ar to tā ir noderīga visu veidu, gan rūpniecisko, gan sadzīves krāsniņu ražošanā.

Atsauces

1. CK-12. Siltuma vadītāji un izolatori. Atgūts no: ck12.org.
2. Varš: rekvizīti un lietojumprogrammas. Atgūts no: copperalliance.org.
3. Effunda. Parasto cieto materiālu īpašības. Atgūts no efunda.com
4. Hils, D. Čuguna termiskās īpašības. Atgūts no: ehow.com.
5. Kings, H. Daudzie zelta izmantošanas veidi. Atgūts no: geology.com.
6. Litijs. Atgūts no: gob.mx.
7. Fizikas atjaunošana. Siltuma caurlaidība. Atgūts no: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Siltumvadītspējas saraksts. Atgūts no: es.wikipedia.org.