Các nguyên tắc chính và ứng dụng dẫn nhiệt trong kim loại

Chế độ dẫn nhiệt đề cập đến việc chuyển đổi năng lượng nhiệt bên trong một vật thể hoặc giữa các vật thể tiếp xúc do sự khác biệt nhiệt độ.thay vào đó dựa vào sự tương tác của các hạt vi môHai cơ chế chính thúc đẩy dẫn nhiệt:

• Chuyển động điện tử tự do:Trong kim loại, các electron di động thu được năng lượng ở các vùng ấm hơn và vận chuyển nó đến các khu vực mát hơn thông qua va chạm với các nguyên tử.
• Các rung động nguyên tử/ phân tử (phonon):Trong các vật liệu phi kim loại, nhiệt chuyển qua các rung động lưới lan truyền dưới dạng phônon.

Nhiệt luôn chảy từ các vùng nhiệt độ cao hơn đến nhiệt độ thấp hơn cho đến khi đạt đến sự cân bằng.Hiện tượng này xảy ra cả trong các vật thể đơn lẻ và giữa các bề mặt tiếp xúc - ví dụ khi bàn tay ấm áp nắm lấy một cốc cà phê nóng.

Tính dẫn nhiệt (k) định lượng khả năng chuyển nhiệt của vật liệu, được định nghĩa là lưu lượng nhiệt trên mỗi gradient nhiệt độ đơn vị.

Trong đó q đại diện cho luồng nhiệt (W / m2), k là độ dẫn nhiệt (W / ((m · K)), và dT / dx biểu thị gradient nhiệt độ (K / m). Giá trị cao hơn k cho thấy công suất truyền nhiệt cao hơn.

Nói chung, chất rắn có độ dẫn nhiệt lớn hơn chất lỏng, vượt trội hơn khí về độ dẫn nhiệt.Trật tự phân cấp này xuất phát từ mật độ đóng gói phân tử - cấu trúc sắp xếp chặt chẽ của chất rắn tạo điều kiện chuyển giao năng lượng hiệu quả hơnVí dụ, độ dẫn điện thấp của không khí (≈ 0,024 W / ((m · K)) làm cho nó lý tưởng cho cách nhiệt, trong khi độ dẫn điện cao của kim loại phù hợp với các ứng dụng thùng nhiệt.

Ba chế độ truyền nhiệt khác nhau hoạt động theo các nguyên tắc vật lý khác nhau:

• Hướng dẫn:Chuyển nhiệt thông qua tiếp xúc trực tiếp mà không có chuyển động vật liệu
• Chuyển động:Chuyển nhiệt thông qua chuyển động của chất lỏng (ví dụ: hệ thống HVAC lưu thông không khí)
• Bức xạ:Chuyển sóng điện từ (chủ yếu là hồng ngoại), không yêu cầu môi trường (ví dụ: sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời)

Hầu hết các kịch bản thực tế liên quan đến các cơ chế chuyển nhiệt kết hợp đồng thời ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ.

Tính dẫn điện đặc biệt của kim loại xuất phát từ đám mây electron của chúng. Khi nóng lên, các electron di động này nhanh chóng khuếch tán năng lượng nhiệt qua lưới thông qua va chạm.Chuyển đổi qua điện tử này chứng minh hiệu quả hơn nhiều so với dẫn điện tử trong các loại không kim loại, giải thích hiệu suất nhiệt thống trị của kim loại.

Kim loại thông thường cho thấy sự thay đổi dẫn điện đáng kể ở nhiệt độ phòng:

• Bạc (Ag):429 W/m·K
• Đồng (Cu):401 W/m·K)
• Vàng (Au):317 W/m·K
• Nhôm (Al):237 W/m·K
• Sắt (Fe):80 W/m·K
• Thép không gỉ:16 W/m·K

Trong khi bạc dẫn đầu về tính dẫn điện, chi phí của nó hạn chế sử dụng cho các ứng dụng chuyên biệt.Do hiệu suất cân bằng và kinh tếĐộ dẫn điện thấp hơn của thép không gỉ phù hợp với nhu cầu cách nhiệt như đồ nấu ăn và bình lưu trữ.

Lựa chọn kim loại tối ưu đòi hỏi đánh giá nhiều tiêu chí:

• Nhu cầu dẫn điện cao:Nhôm (tháng nhẹ, kinh tế) hoặc đồng (hiệu suất cao hơn) để làm mát điện tử
• Kháng ăn mòn:Thép không gỉ hoặc hợp kim đặc biệt để chế biến hóa học
• Yêu cầu về cấu trúc:Thép cho các thành phần chịu tải mặc dù dẫn điện vừa phải
• Tăng hiệu suất:Lựa chọn hợp kim cho bộ trao đổi nhiệt cân bằng tính dẫn điện, độ bền và khả năng chống ăn mòn

Các vật liệu tổng hợp tiên tiến kết hợp các lợi thế vật liệu để quản lý nhiệt được cải thiện.

• Các chất lai nhôm thép không gỉ kết hợp tính dẫn điện với độ bền
• Các hợp chất được gia cố bằng sợi cacbon cung cấp tỷ lệ dẫn điện so với trọng lượng cực kỳ

Những đổi mới này hứa hẹn các giải pháp nhiệt biến đổi trên tất cả các ngành công nghiệp.