- أنواع الموصلات
- الموصلية الحرارية للمواد
- قيم التوصيل الحراري
- موصلات الحرارة الرئيسية
- الماس
- فضة
- النحاس
- ذهب
- الليثيوم
- الألومنيوم
- برونزية
- الزنك
- حديد
- المراجع
و الموصلات الحرارة هي مواد هيكلها هو مثل أن الحرارة يمكن أن تمر من خلالها بسهولة. يجب أن نتذكر أن كل المادة تتكون من ذرات وجزيئات في حركة اهتزازية ثابتة ، وأن الحرارة تترجم إلى إثارة أكبر لهذه الجسيمات.
توصل بعض المواد الحرارة بشكل أفضل من غيرها ، لأن تكوينها الداخلي يسهل تدفق الطاقة هذا. الخشب ، على سبيل المثال ، ليس موصلًا جيدًا للحرارة لأنه يستغرق وقتًا طويلاً حتى يسخن. لكن من ناحية أخرى ، فإن الحديد والنحاس والمعادن الأخرى هي كذلك ، مما يعني أن جزيئاتها تكتسب طاقة حركية بسرعة كبيرة.
الشحوم الحرارية المستخدمة في رقائق الكمبيوتر موصل جيد للحرارة وليس الكهرباء. المصدر: ويكيميديا كومنز.
هذا هو السبب في أن المعادن هي المفضلة لصنع أدوات المطبخ ، مثل القدور والمقالي. تسخن بسرعة وتصل إلى درجات حرارة عالية بما يكفي لطهي الطعام بشكل صحيح.
ومع ذلك ، فإن المقابض والمقابض التي تكون على اتصال بأيدي المستخدم مصنوعة من مواد أخرى عازلة للحرارة. بهذه الطريقة ، يسهل التعامل مع المقالي حتى عندما تكون ساخنة.
أنواع الموصلات
اعتمادًا على طريقة توصيلها للحرارة ، يتم تصنيف المواد إلى:
- الموصلات الحرارية: الماس والمعادن مثل النحاس والحديد والزنك والألمنيوم وغيرها. عادة ما تكون الموصلات الجيدة للكهرباء هي أيضًا موصلات جيدة للحرارة.
- العوازل الحرارية: الخشب ، المطاط ، الألياف الزجاجية ، البلاستيك ، الورق ، الصوف ، الأنمي ، الفلين ، البوليمرات هي أمثلة جيدة. الغازات ليست موصلات جيدة أيضًا.
الموصلية الحرارية للمواد
تسمى الخاصية التي تميز طريقة توصيل كل منها للحرارة بشكل جوهري بالتوصيل الحراري. كلما زادت الموصلية الحرارية للمادة ، كان من الأفضل توصيل الحرارة.
يتم تحديد الموصلية الحرارية للمواد بشكل تجريبي. في نظام الوحدات الدولي SI ، تُقاس الموصلية الحرارية بالواط / (متر × كلفن) أو W / (مللي كلفن). يتم تفسيره على النحو التالي:
وحدة أخرى للتوصيل الحراري المستخدمة في البلدان الأنجلوسكسونية هي BTUH / (قدم ºF) ، حيث ترمز BTUH إلى الوحدة الحرارية البريطانية في الساعة.
تتدفق الحرارة عبر المادة الصلبة عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين نهاياتها. المصدر: ويكيميديا كومنز.
قيم التوصيل الحراري
فيما يلي الموصلات الحرارية لبعض العناصر والمواد الموجودة في الطبيعة والتي تستخدم بكثرة في الصناعة.
ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن هناك مركبات اصطناعية ، لا تزال في المرحلة التجريبية ، والتي تتجاوز موصليةها الحرارية بكثير تلك الخاصة بالماس ، والتي تتصدر الجدول.
درجة الحرارة حاسمة في قيمة التوصيل الحراري للمعادن. مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد كذلك الموصلية الحرارية (على الرغم من انخفاض الموصلية الكهربائية). بالنسبة لغير المعادن ، تكون الموصلية الحرارية ثابتة تقريبًا على نطاق واسع من درجات الحرارة.
القيم الواردة في الجدول محددة عند 25 درجة مئوية وضغط جوي واحد.
عند اختيار مادة لخصائصها الحرارية ، من الضروري مراعاة أنها تتوسع مع الحرارة. يتم إعطاء هذه القدرة من خلال معامل التمدد الحراري.
موصلات الحرارة الرئيسية
الماس
الماس هو أفضل موصل حراري في الطبيعة. المصدر: روبرت لافينسكي عبر ويكيميديا كومنز.
إنه أفضل موصل حراري في درجة حرارة الغرفة ، وهو أفضل بكثير من النحاس وأي معدن آخر. في الماس ، وهو عازل كهربائي ، لا تتدفق الحرارة عبر إلكترونات التوصيل ولكن من خلال انتشار الاهتزازات في هيكلها البلوري عالي التنظيم. تسمى هذه الاهتزازات الفونونات.
كما أن لديها معامل تمدد حراري منخفض ، مما يعني أن أبعادها ستبقى قريبة من الأبعاد الأصلية عند تسخينها. عندما يتطلب الأمر وجود موصل حراري جيد لا يوصل الكهرباء ، يكون الماس هو الخيار الأفضل.
نتيجة لذلك ، يتم استخدامه على نطاق واسع لإزالة الحرارة الناتجة عن الدوائر في أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى. لكن له عيبًا رئيسيًا: إنه مكلف للغاية. على الرغم من وجود الماس الصناعي ، إلا أنه ليس من السهل صنعه كما أنه غالي الثمن.
فضة
عملات فضية
إنه معدن يحظى بتقدير كبير للزخرفة بسبب لمعانه ولونه وقابليته للتطويع. إنه مقاوم للأكسدة ومن بين جميع المعادن فهو ذو أعلى موصلية حرارية ، فضلاً عن الموصلية الكهربائية الممتازة.
لهذا السبب ، له تطبيقات متعددة في الصناعة ، سواء بمفرده أو في السبائك مع عناصر أخرى مثل النيكل والبلاديوم.
من الفضة النقية ، الدوائر المطبوعة ، يتم تصنيع الكابلات فائقة التوصيل عالية الحرارة ويتم طلاء الموصلات المستخدمة في الإلكترونيات ، بالإضافة إلى استخدامها في السبائك لعمل التلامسات الكهربائية.
لها عيب كونها نادرة نسبيًا وبالتالي باهظة الثمن ، لكن التركيبة الفريدة من الخصائص الفيزيائية لهذه التطبيقات تجعلها بديلاً ممتازًا ، لأنها مرنة للغاية ومعها يتم الحصول على موصلات ذات طول جيد.
النحاس
سلك نحاس
وهو من أكثر المعادن استخدامًا عند الحاجة إلى التوصيل الحراري الجيد ، لأنه لا يتآكل بسهولة ونقطة انصهاره عالية جدًا ، مما يعني أنه لن يذوب بسهولة عند تعرضه للحرارة.
المزايا الأخرى التي تتمتع بها هي ليونة ، بالإضافة إلى كونها غير مغناطيسية. النحاس قابل لإعادة التدوير وهو أرخص بكثير من الفضة. ومع ذلك ، فإن معامل التمدد الحراري مرتفع ، مما يعني أن أبعادها تتغير بشكل ملحوظ عند تسخينها.
نظرًا لخصائصه الحرارية الجيدة ، فإنه يستخدم على نطاق واسع في أواني المطبخ ، مثل الأواني النحاسية المغطاة بالفولاذ ، على سبيل المثال. أيضا لتصنيع المبادلات الحرارية في خزانات الماء الساخن وأنظمة التدفئة المركزية ومشعات السيارات وتبديد الحرارة في الأجهزة الإلكترونية.
ذهب
قناع الذهب ما قبل الإسباني
إنه المعدن الثمين بامتياز ويحتل مكانة راجحة في تاريخ البشرية. بصرف النظر عن هذا المعنى الخاص ، فإن الذهب مرن ومقاوم وموصل ممتاز للحرارة والكهرباء.
نظرًا لأن الذهب لا يتآكل ، فإنه يستخدم لنقل التيارات الصغيرة في المكونات الإلكترونية الصلبة. هذه التيارات صغيرة جدًا بحيث يمكن قطعها بسهولة عند أدنى علامة على التآكل ، ولهذا السبب يضمن الذهب مكونات إلكترونية موثوقة.
كما أنها تستخدم لتصنيع موصلات سماعات الرأس ، ونقاط الاتصال ، والمرحلات ، وكابلات التصحيح. تحتوي الأجهزة مثل الهواتف الذكية والآلات الحاسبة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة التلفزيون على كميات صغيرة من الذهب.
تحتوي النظارات الخاصة بمساحات التكييف أيضًا على الذهب المشتت ، بحيث تساعد على عكس إشعاع الشمس في الخارج ، مع الحفاظ على النضارة بالداخل عندما يكون الجو حارًا جدًا. بالطريقة نفسها ، فهي تساعد في الحفاظ على الحرارة الداخلية للمبنى عندما يكون الشتاء.
الليثيوم
بطارية ليثيوم أيون. المؤلف: السيد ち ゅ ら さ ん. بطارية Lithium_Battery * يوم التصوير أغسطس 2005 * تصوير المصور أني. المصدر: ويكيميديا كومنز.
إنه الأخف من بين جميع المعادن ، على الرغم من أنه شديد التفاعل ، لذا فهو يتآكل بسهولة يجب عليك أيضًا التعامل معها بحذر شديد ، لأنها شديدة الاشتعال. نتيجة لذلك ، على الرغم من وفرته ، إلا أنه لا يوجد في الحالة الحرة ولكن في المركبات ، ولهذا السبب يجب عزله بشكل عام عن طريق طرق التحليل الكهربائي.
الموصلية الحرارية لها مشابهة لتلك الخاصة بالذهب ، لكنها أرخص بكثير من ذلك. كربونات الليثيوم مركب يستخدم في صناعة الزجاج والسيراميك المقاوم للحرارة.
استخدام آخر واسع الانتشار للليثيوم هو تصنيع بطاريات طويلة الأمد وخفيفة الوزن ، حيث يستخدم كلوريد الليثيوم لاستخراج الليثيوم المعدني. يضاف في معالجة الألمنيوم ، فهو يزيد من الموصلية الكهربائية ويخفض درجات حرارة التشغيل.
الألومنيوم
دلو معدني من الألومنيوم. المصدر: كارستن نيهاوس
هذا المعدن خفيف الوزن وغير مكلف وعالي المقاومة وسهل التشغيل هو أحد المواد الرئيسية المستخدمة في صناعة المبادلات الحرارية في أجهزة تكييف الهواء مثل مكيفات الهواء والسخانات.
على الصعيدين المحلي والصناعي ، يتم استخدام أواني الألومنيوم على نطاق واسع في المطابخ حول العالم.
أواني الألمنيوم مثل الأواني والمقالي وألواح الخبز فعالة للغاية. لا يغيرون نكهة الطعام ويسمحون للحرارة بالانتشار بسرعة وبشكل متساوٍ عند الطهي.
بغض النظر ، تم استبدال الأواني والمقالي المصنوعة من الألمنيوم بالفولاذ المقاوم للصدأ ، وهو ليس موصلًا جيدًا للحرارة. وذلك لأن الفولاذ المقاوم للصدأ لا يتفاعل مع الأحماض القوية ، مثل صلصة الطماطم على سبيل المثال.
لذلك يفضل صنع صلصة الطماطم في أواني من الصلب ، لمنع الألمنيوم من دخول الطعام ، حيث أن بعضها يرتبط بالألمنيوم - الموجود في مضادات الحموضة ، والتلك ، ومزيلات العرق والعديد من المنتجات الأخرى - مع ظهور الأمراض التنكسية ، على الرغم من أن معظم الخبراء ، وكذلك إدارة الغذاء والدواء ، يرفضون هذه الفرضية.
قدر ألومنيوم في المقدمة. المصدر: Pixabay.
لا تتعرض أواني الطهي المصنوعة من الألمنيوم المؤكسد لخطر فصل جزيئات الألمنيوم ويمكن من حيث المبدأ استخدامها بمزيد من الأمان.
برونزية
يوضح البرونز لهذه الأجراس القديمة فائدة المعادن لأغراض الزينة أو الأغراض الدينية. المصدر: Pxhere.
البرونز هو سبيكة من النحاس والقصدير بشكل أساسي ، مع وجود معادن أخرى بدرجة أقل. لقد كانت موجودة منذ العصور القديمة في تاريخ البشرية.
من المهم جدًا أن تمت تسمية فترة ما قبل التاريخ بالعصر البرونزي ، وهو الوقت الذي اكتشف فيه الناس خصائص هذه السبيكة وبدأوا في استخدامها.
البرونز مقاوم للتآكل ويسهل التعامل معه. في البداية كانت تستخدم في صنع الأواني المختلفة والأدوات والمجوهرات والأشياء الفنية (المنحوتات على سبيل المثال) والأسلحة ، وكذلك لسك العملات المعدنية. اليوم لا يزال يستخدم في صناعة الأنابيب والأجزاء الميكانيكية والآلات الموسيقية.
الزنك
مشاهدة الزجاج بأكسيد الزنك. المصدر: Adam Rędzikowski
إنه معدن مرن للغاية ومرن وأبيض مزرق ، يسهل التعامل معه ، على الرغم من وجود نقطة انصهار منخفضة. عُرف منذ العصور القديمة ، ويستخدم بشكل رئيسي في السبائك.
يتم استخدامه حاليًا لجلفنة الفولاذ وبالتالي حمايته من التآكل. أيضا لتصنيع البطاريات والأصباغ وتصنيع صفائح الزنك الخاصة لصناعة البناء.
حديد
برادة حديد على مغناطيس. المصدر: Aney via Commons Wikimedia.
الحديد معدن آخر ذو أهمية تاريخية كبيرة. مثل البرونز ، يرتبط الحديد بمرحلة من عصور ما قبل التاريخ حدثت فيها تطورات تكنولوجية عظيمة: العصر الحديدي.
لا يزال الحديد الزهر اليوم يستخدم في العديد من التطبيقات لتصنيع الأدوات والأواني وفي البناء وكمواد لتصنيع قطع غيار السيارات.
الحديد موصل جيد جدًا للحرارة كما رأينا. تقوم الأجسام الحديدية بتوزيع الحرارة بشكل جيد للغاية والاحتفاظ بها لفترة طويلة. كما أن لها نقطة انصهار عالية مما يجعلها مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة ومن ثم فائدتها في تصنيع جميع أنواع الأفران سواء الصناعية أو المنزلية.
المراجع
- CK-12. الموصلات والعوازل الحرارية. تم الاسترجاع من: ck12.org.
- النحاس: الخصائص والتطبيقات. تم الاسترجاع من: copperalliance.org.
- إفوندا. خصائص المواد الصلبة المشاع. تعافى من efunda.com
- هيل ، د. الخصائص الحرارية للحديد الزهر. تم الاسترجاع من: ehow.com.
- الملك ح. الاستخدامات العديدة للذهب. تم الاسترجاع من: geology.com.
- الليثيوم. تم الاسترجاع من: gob.mx.
- إعادة الفيزياء الإبداعية. انتقال الحرارة. تم الاسترجاع من: fisicarecreativa.com.
- ويكيبيديا. قائمة التوصيلات الحرارية. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.