Η ΧΗΜΕΙΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΕΙ ΤΗΝ ΥΛΗ. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΗΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ.ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΗΜΙΜΕΤΑΛΛΩΝ ΚΑΙ ΑΜΕΤΑΛΛΩΝ

Δήμητρα Σπανού συνταξιούχος χημικός καθηγήτρια  Βθμιας Εκπαίδευσης 

 

 

υπό κατασκευή 

 

 

ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΥΛΙΚΩΝ

Η θερμική αγωγιμότητα είναι η ικανότητα μιας ουσίας να μεταφέρει θερμότητα μέσα της.

Αποτελεί  μια σημαντική ιδιότητα για τα χημικά στοιχεία, που γίνεται μέσω της χαοτικής κίνησης των στοιχειωδών σωματιδίων των σωμάτων (άτομα, μόρια, ηλεκτρόνια) και  καθορίζεται από τις ιδιότητες των ατόμων και των μορίων τους και την  δομή τους, την θέση τους στον περιοδικό πίνακα και τις φυσικές τους ιδιότητες όπως η πυκνότητά τους, η αντοχή τους η θερμοχωρητικότητα, η σκληρότητα.

 Επίσης καθορίζεται από την κλίση των θερμοκρασιών  (grad). Δηλαδή, η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται  από τις συνθήκες μεταφοράς όπως από την κλίση της θερμοκρασίας, δηλαδή την διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των περιοχών που μεταφέρεται θερμότητα.

Εξηγείται μέσω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων της ύλης: τα μόρια σε θερμότερα μέρη του σώματος κινούνται και μεταφέρουν ενέργεια μέσω των συγκρούσεων σε πιο αργά σωματίδια σε ψυχρότερα μέρη του σώματος

 

Δεν έχουν όλα τα χημικά στοιχεία την ίδια ικανότητα να μεταφέρουν θερμότητα. Υπάρχουν χημικά στοιχεία με υψηλή θερμική αγωγιμότητα όπως τα μέταλλα και άλλα με χαμηλότερη και συνεχίζεται έως ότου επιτευχθεί η θερμοδυναμική ισορροπία σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής

Η μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας γίνεται σε μονάδες watt ανά μέτρο επί βαθμό Κέλβιν W/m.K

Παραθέτω ορισμένα χημικά στοιχεία από όπου φαίνεται ότι άλλα από αυτά έχουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα και είναι κατάλληλα για την μεταφορά θερμότητας και άλλα μικρή και χρησιμοποιούνται σαν μονωτές

 

 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΓΩΓΙΜΌΤΗΤΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Αργό  0,016284 W/(m·K)  Άζωτο  0,02583 W/(m·K), Οξυγόνο  0,026184 W/(m·K), Υδρογόνο  0,1805 W/(m·K), Μόλυβδος 35 W/(m.K), 

Σίδηρος  80.19 W/(m·K), Αργίλιο  205 W/(m·K), Χαλκός  401 W/(m·K), Ασημί   429 W/(m·K), Διαμάντι   2200 W/(m·K)

Για την μεταφορά θερμότητας λαμβάνεται υπ ίψην και ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ στον οποίο συμπεριλαμβάνεται και το πάχος του αγωγού με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα

Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ δίνεται από την σχέση λ= (Q * d) / (t * S * ΔT)
Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από την θερμοκρασία που γίνεται η μεταφορά θερμότητας. 
Για τα μέταλλα το λ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ενώ για τα μονωτικά υλικά αυξάνεται
Στην θερμική αγωγιμότητα λαμβάνεται υπ όψη και η πυκνότητα ρ=kg/m3,   η ειδική θερμοχωρητικότητα c=J/(kg.K), η θερμική αντίσταση R=(m2.K)/W, η διαχυτικότητα θερμοκρασίας, η πυκνότητα ροής θερμότητας.
Η ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΣΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ
Στα μέταλλα η μεταφορά θερμότητας σχετίζεται με την φυση της ύλης τους εφόσον οφείλεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια και έτσι παρουσιάζουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα. (Το αντίθετο συμβαίνει στα αμέταλλα στοιχεία)
Στα καθαρά μέταλλα το μέγιστο της θερμικής αγωγιμότητας φτάνει σε χαμηλές θερμοκρασίες γιατί οι κινήσεις των σωματιδίων του πλέγματος μειώνονται ώστε η κίνηση τωννηλεκτρονίων- μεταφορέων θερμότητας- γίνονται με λιγότερα εμπόδια (μειωμένη η αντίσταση του αγωγού), Το αντίθετο συμβαίνει όταν η μεταφορά θερμότητας γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες. 
Επίσης η δυνατότητα που έχει ένα ηλεκτρόνιο σθένους να περάσει στη ζ'ωνη αγωγιμότητας σαν ελεύθερο ηλεκτρόνιο, το οποίο περιγράφεται από την ενέργεια ιονισμού. 
Ενέργεια ιον(τ)ισμού είναι το ελάχιστο ποσό  ενέργειας που απαιτείται για να αποσπαστεί το ασθενέστερα συγκρατούμενο ηλεκτρόνιο ενός ελεύθερου ατόμου ή μορίου. 
Η ενέργεια ιοντισμού επιρρεάζεται από παράγοντες όπως ο ατομικός αριθμός (αυξάνει για την ίδια περίοδο) Από τα αριστερά στα δεξιά και όσο ο αριθμός της ομάδας μεγαλώνει (από 1 έως 18) η ενέργεια ιοντισμού αυξάνει ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας μειώνεται 
 Η ατομική ακτίνα αυξάνεται  από πάνω προς τα κάτω στον περιοδικό πίνακα, λόγω ασθενέστερης έλξης από τον πυρήνα, ελλατώνεται η ενέργεια ιοντισμού και αυξάνει ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας,
Η ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Όσο είναι σταθερότερη ηλεκτρονιακή διαμόρφωση του ατόμου τόσο δυσκολότερα αποσπώνται ηλεκτρόνια και συνεπώς αυξάνει την ενέργεια ιοντισμού .και μειώνεται ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας
 Για άτομα με πολλά ηλεκτρόνια σθένους έχουμε την ενέργεια ιονισμού πρώτου ηλεκτρονίου (χαμηλότερη), δεύτερου κ.ο.κ.

Χημικό Στοιχείο

Ατομικός αριθμός/ομάδα/περίοδος

Λ (W/m.K)

Ρ( kg/m3)

Ατομική ακτίνα pm

Ενέργεια ιοντ(ι)σμού KJ/mol

Σημείο τήξης Co

Αργό

18/18/3

0,016184

 

71

 

-189

Θείο

16/16/3

0,205

1960

88

999,6

115,21

Άζωτο

14/15/2

0,02583

 

56

 

-210,1

Οξυγόνο

8/16/2

0,026184

 

48

 

-218

Υδρογόνο

1/1/1

0,1805

 

53

 

-259,9

Ιώδιο

53/17/5

0,449

4,940

115

1008,4

113,7

Τελλούριο

52/16/5

3

6240

123

869,3

449,51

Ακτίνιο

89/ακτινίδες/7

12

10070

 

499

1050

Λανθάνιο

57/λανθανίδες/6

13

6146

 

538,1

919,9

Πρασεοδύμιο

59/λανθανίδες/6

13

6640

247

527

930,9

Ουράνιο

92/ακτινίδες/7

27

19500

 

597,6

1135

Κασσίτερος

50/14/5

67

7310

145

708,6

231,93

Σίδηρος

26/8/4

80,19

7870

156

762,5

1538

Ινδιο

49/13/5

82

7310

156

558,3

156,6

Λίθιο

3/1/2

85

535

167

520,2

180,54

Μόλυβδος

82/14/6

35

11340

154

715,6

327,46

Νάτριο

11/1/3

140

968

190

495,8

97,92

Πυρίτιο

14/14/3

150

2330

111

786,5

1414

Μαγνήσιο

12/2/3

160

1738

145

737,7

650

Αργίλιο

13/13/3

235

2700

118

577,5

660,32

Χρυσός

79/11/6

320

19300

174

890,1

1064,18

Χαλκός

29/11/4

401

8940

145

745,5

1084,62

 Ασήμι

47/11/5

430

10500

165

731

961,68

Άνθρακας

6/14/2

140

2260

67

1085,5

3642

Αμερίκιο

95/ακτινιδες/7

10

13670

 

578

1176

Νεοδύμιο

60/λανθανίδες/6

17

7010

206

533,1

1021

Κρυπτό

36/18/4

0,00943

3,75

88

1350,8

-157,36

  Τιτάνιο                81/13/6                            48             11850          156              589,4             304

   Νικέλιο               28/10/4                            91               8908         139               737,1           1455

 

Παρατηρούμε ότι: Στοιχεία στις με μικρό αριθμό ομάδας και μεγάλο αριθμό περιόδου (μέταλλα) έχουν μεγαλύτερους συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας   
Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας αυξάνει με την περιοδο 
Στοιχεία με μεγάλη πυκνότητα έχουν συνήθως μεγάλο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας 
Στα κράματα μετάλλων τα  στοιχεία που αναμειγνύονται μπορεί να ελλατώσουν ή να αυξήσουν τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας
Ο συντελεστής ενέργειας ιοντισμού μεγιστοποιείται στα ευγενή αέρια λόγω της σταθερότητας της δομής τους. Ο συντελεστής μειώνεται πάρα πολύ.
Οι κρυσταλλικές ουσίες έχουν υψηλότερο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας. Η θερμική αγωγιμότητα πραγματοποιείται στους κόμβους του πλέγματος
Σε πορώδη μέταλλα ο συντσλεστής θερμικής αγωγιμότητας είναι μειωμένος
Οι ύπαρξη ακαθαρσιών στα μέταλλα μειώνει πολύ τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λόγω παραμόρφωσης του κρυσταλλικού πλέγματος
Τα καθαρά μέταλλα όπως χαλκός, άργυρος, χρυσός, αλουμίνιο, έχουν αυξημένο συντελεστή αγωγημότητας
 
 
ΠΗΓΕΣ
Θερμική αγωγιμότητα όλων των χημικών στοιχείων
Πίνακας θερμικής αγωγιμότητας μετάλλων: χαρακτηριστικά και δεδομένα
Источник: https://granit.dartaygi.ru/himiya/teploprovodnost-vsekh-khimicheskikh-elementov
Ενέργεια ιονισμού
Ενέργεια Ιονισμού: χαρακτηριστικά, σημασία και βασικοί παράγοντες
Περιοδικός Πίνακας - Ptable - Ιδιότητες

μια λίστα χημικών στοιχείων και η θερμική τους αγωγιμότητα.

 

Το αλουμίνιο είναι ένα από τα πιο θερμικά αγώγιμα μέταλλα, με θερμική αγωγιμότητα περίπου 205 W/(m·K).

Το ασήμι είναι το πιο θερμικά αγώγιμο μέταλλο, η θερμική του αγωγιμότητα φτάνει τα 429 W/(m·K).

Ο χαλκός έχει επίσης υψηλή θερμική αγωγιμότητα (398 W/(m·K)), επομένως χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρονική και την ηλεκτρική μηχανική.

Σίδηρος – η θερμική αγωγιμότητα αυτού του μετάλλου είναι περίπου 80 W/(m·K).

Μόλυβδος – σε αντίθεση με τα προηγούμενα στοιχεία, ο μόλυβδος έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (35 W/(m·K)), επομένως χρησιμοποιείται συχνά για προστασία από την ακτινοβολία.

Источник: https://granit.dartaygi.ru/himiya/teploprovodnost-vsekh-khimicheskikh-elementov

 

Τα ακόλουθα είναι μερικά από τα χημικά στοιχεία ταξινομημένα με βάση τη θερμική τους αγωγιμότητα:

 

Αργό – 0,016284 W/(m·K)

Άζωτο – 0,02583 W/(m·K)

Οξυγόνο – 0,026184 W/(m·K)

Υδρογόνο – 0,1805 W/(m·K)

Αλουμίνιο – 237 W/(m·K)

Σίδηρος – 80.19 W/(m·K)

Χαλκός – 401 W/(m·K)

Ασημί – 429 W/(m·K)

Διαμάντι – 2200 W/(m·K)

 

Источник: https://granit.dartaygi.ru/himiya/teploprovodnost-vsekh-khimicheskikh-elementov

Μεταφορά θερμότητας - Βικιπαίδεια

Ενέργεια ιονισμού

Θερμική αγωγιμότητα μετάλλων - πίνακας με τους κύριους δείκτες και τους τομείς εφαρμογής αυτής της ιδιότητας