- סוגי מוליכים
- מוליכות תרמית של חומרים
- ערכי מוליכות תרמית
- מוליכי חום עיקריים
- יהלום
- כסף
- נְחוֹשֶׁת
- זהב
- לִיתִיוּם
- אֲלוּמִינְיוּם
- בְּרוֹנזָה
- אָבָץ
- בַּרזֶל
- הפניות
מוליכי החום הנם חומרים שהמבנה שלה הוא כזה חום יכול לעבור אותם בקלות. יש לזכור שכל החומר מורכב מאטומים ומולקולות בתנועה רטטית מתמדת, וכי החום מיתרגם לתסיסה רבה יותר של חלקיקים אלה.
חומרים מסוימים מוליכים חום טוב יותר מאחרים, מכיוון שתצורתם הפנימית מקלה על זרימת אנרגיה זו. עץ למשל אינו מוליך חום טוב מכיוון שלוקח זמן רב להתחמם. אך מצד שני, ברזל, נחושת ומתכות אחרות הן, מה שאומר שהחלקיקים שלהם רוכשים אנרגיה קינטית מהר מאוד.
גריז תרמי המשמש שבבי מחשב הוא מוליך טוב של חום, אך לא חשמל. מקור: Wikimedia Commons.
זו הסיבה שהמתכות הן הפייבוריטים להכנת כלי מטבח, כמו סירים ומחבתות. הם מתחממים במהירות ומגיעים לטמפרטורות גבוהות מספיק כדי שהאוכל יתבשל כראוי.
עם זאת ידיות וידיות, הנמצאות במגע עם ידי המשתמש, עשויות מחומרים מבודדי חום אחרים. באופן זה, המחבתות נוחות לטפל גם כשהן חמות.
סוגי מוליכים
בהתאם לדרך הולכת החום שלהם, חומרים מסווגים ל:
- מוליכים תרמיים : יהלום ומתכות כמו נחושת, ברזל, אבץ ואלומיניום. בדרך כלל מוליכי חשמל טובים הם גם מוליכי חום טובים.
- מבודדים תרמיים : עץ, גומי, פיברגלס, פלסטיק, נייר, צמר, אנימה, פקק, פולימרים הם דוגמאות טובות. גם גזים אינם מוליכים טובים.
מוליכות תרמית של חומרים
המאפיין המאפיין באופן מהותי את האופן בו כל אחד מהם מוליך חום נקרא מוליכות תרמית. ככל שהמוליכות התרמית של חומר גבוהה יותר, כך היא מוליכה חום טוב יותר.
המוליכות התרמית של חומרים נקבעת באופן ניסיוני. במערכת היחידות הבינלאומית של SI, המוליכות התרמית נמדדת בוואט / (מטר x קלווין) או W / (mK). זה מתפרש כך:
יחידה נוספת למוליכות תרמית המשמשת במדינות אנגלו-סכסון היא BTUH / (ft.ºF), שם BTUH מייצג את היחידה התרמית הבריטית לשעה.
חום זורם דרך המוצק כשיש הבדל בטמפרטורה בין קצוותיו. מקור: Wikimedia Commons.
ערכי מוליכות תרמית
להלן מוליכות התרמית של כמה אלמנטים וחומרים שנמצאים בטבע ושמשתמשים בתעשייה לעתים קרובות.
עם זאת, יש לציין כי ישנם תרכובות סינתטיות, שעדיין נמצאות בשלב הניסוי, שהמוליכות התרמית שלה עולה בהרבה על זו של היהלום, העומד בראש השולחן.
הטמפרטורה מכריעה בערך המוליכות התרמית של מתכות. ככל שהטמפרטורה עולה כך גם המוליכות התרמית (אם כי המוליכות החשמלית יורדת). עבור שאינם מתכות המוליכות התרמית קבועה בערך בטווח טמפרטורות רחב.
הערכים בטבלה מוגדרים בלחץ 25 מעלות צלזיוס ולחץ אטמוספרה 1.
בבחירת חומר לתכונותיו התרמיות, יש לקחת בחשבון שהוא מתרחב בחום. יכולת זו ניתנת על ידי מקדם ההתפשטות התרמית.
מוליכי חום עיקריים
יהלום
היהלום הוא המוליך התרמי הטוב ביותר בטבע. מקור: רוברט לווינסקי דרך ויקימדיה.
זהו המוליך התרמי הטוב ביותר בטמפרטורת החדר, טוב בהרבה מנחושת וכל מתכת אחרת. ביהלום, שהוא מבודד חשמלי, החום אינו זורם דרך אלקטרונים מוליכים אלא באמצעות התפשטות של רעידות במבנה הגבישי המאורגן שלה. תנודות אלה נקראות פונונים.
יש לו גם מקדם התפשטות תרמי נמוך, מה שאומר שממדיו יישארו קרובים לאלו המקוריים בעת חימום. כאשר נדרש מוליך חום טוב שאינו מוליך חשמל, יהלום הוא האפשרות הטובה ביותר.
כתוצאה מכך נעשה שימוש נרחב להסרת החום המיוצר על ידי מעגלים במחשבים ובמכשירים אלקטרוניים אחרים. אבל יש לזה חסרון מרכזי: הוא יקר ביותר. למרות שיש יהלומים סינתטיים, הם לא קלים להכנה והם גם יקרים.
כסף
מטבעות כסף
זוהי מתכת מוערכת מאוד לקישוטים בזכות הברק, הצבע והגמישות שלה. הוא עמיד בפני חמצון ובין כל המתכות הוא זה עם המוליכות התרמית הגבוהה ביותר, כמו גם מוליכות חשמלית מעולה.
מסיבה זו יש לו יישומים מרובים בתעשייה, הן לבד והן בסגסוגות עם אלמנטים אחרים כמו ניקל ופלדיום.
במעגלים מודפסים מכסף טהור, מיוצרים כבלים מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה ומוליכים המשמשים באלקטרוניקה מצופים, בנוסף לשימוש בסגסוגת ליצירת קשרים חשמליים.
יש לו את החיסרון בהיותו נדיר יחסית ולכן יקר, אך השילוב הייחודי של תכונות פיזיות ליישומים אלה הופך אותו לאלטרנטיבה מצוינת, מכיוון שהוא גמיש מאוד ואיתו מתקבלים מוליכים באורך טוב.
נְחוֹשֶׁת
חוטי נחושת
זוהי אחת המתכות המשומשות ביותר כאשר נדרשת מוליכות תרמית טובה, מכיוון שהיא לא מתכתבת בקלות ונקודת ההתכה שלה גבוהה למדי, מה שאומר שהיא לא תימס בקלות כאשר היא נחשפת לחום.
יתרונות נוספים שיש לה הוא משיכותו, בנוסף לכך שהיא אינה מגנטית. הנחושת ניתנת למחזור והיא יקרה בהרבה מכסף. עם זאת, מקדם ההתפשטות התרמית שלו גבוה, מה שאומר שממדיו משתנים במידה ניכרת כשהם מחוממים.
בשל תכונותיו התרמיות הטובות, משתמשים בו באופן נרחב בכלי מטבח, כמו סירי נחושת מכוסים פלדה, למשל. כמו כן לייצור מחליפי חום במיכלי מים חמים, במערכות חימום מרכזיות, ברדיאטורים לרכב ולהפצת חום במכשירים אלקטרוניים.
זהב
מסכת זהב פרה-ספנית
זוהי המתכת היקרתית המצויינת ותופסת מקום חשוב בהיסטוריה של האנושות. מלבד המשמעות המיוחדת הזו, הזהב נישא, עמיד ומוליך מצוין של חום וחשמל.
מכיוון שהזהב אינו משחית, הוא משמש לשאת זרמים קטנים ברכיבים אלקטרוניים במצב מוצק. זרמים אלה כה קטנים עד כי ניתן להפריע להם בקלות בסימן הקלוזיה הקל ביותר, וזו הסיבה לכך שמזהב מבטיח רכיבים אלקטרוניים אמינים.
הוא משמש גם לייצור מחברי אוזניות, אנשי קשר, ממסרים וכבלי תיקון. מכשירים כמו סמארטפונים, מחשבונים, מחשבים ניידים ושולחנות עבודה וטלוויזיות מכילים כמויות זהב קטנות.
המשקפיים המיוחדים לחללי מיזוג אוויר מכילים גם זהב מפוזר, באופן שהם עוזרים לשקף את קרינת השמש בחוץ, ולשמור על הרעננות בפנים כשהיא חמה מאוד. באותו אופן הם עוזרים לשמור על החום הפנימי בבניין כאשר הוא חורפי.
לִיתִיוּם
סוללת ליתיום יון. מחבר: מר ち ゅ ら さ ん. יום הצילום Lithium_Battery *, אוגוסט 2005 * איש הצילום Aney. מקור: Wikimedia Commons.
זוהי הקלה מבין כל המתכות, אם כי תגובתה מאוד כך שהיא מכתה בקלות. עליכם להתמודד עם זה בזהירות רבה, מכיוון שהוא דליק מאוד. בשל כך, למרות שהוא בשפע, הוא אינו נמצא במצב חופשי אלא בתרכובות, שעבורן יש לבודד בדרך כלל בשיטות אלקטרוליטיות.
המוליכות התרמית שלו דומה לזו של הזהב, אך היא זולה בהרבה מזה. ליתיום פחמתי הוא תרכובת המשמשת לייצור זכוכית וקרמיקה עמידים בחום.
שימוש נפוץ נוסף בליתיום הוא ייצור סוללות קלות-משקל וארוכות טווח, אשר עבורן משמשים לחילוץ ליתיום מתכתי. נוסף על עיבוד האלומיניום הוא מגביר את המוליכות החשמלית שלו ומוריד את טמפרטורות ההפעלה.
אֲלוּמִינְיוּם
דלי מתכת אלומיניום. מקור: קרסטן ניהאוס
מתכת קלה זו, זולה, עמידה מאוד וקלת עבודה, היא אחד החומרים העיקריים המשמשים לייצור מחליפי חום בציוד מיזוג אוויר, כמו מזגנים ומחממים.
הן מקומי והן מבחינה תעשייתית, כלי אלומיניום משמשים רבות במטבחים ברחבי העולם.
כלי אלומיניום כמו סירים, מחבתות, וגיליונות אפייה יעילים במיוחד. הם לא משנים את טעם האוכל ומאפשרים לחום להתפשט במהירות ובאופן שווה בעת הבישול.
בלי קשר, סירי ומחבתות אלומיניום נעקרו על ידי פלדת אל חלד, שאינה מוליכת חום לא פחות טובה. הסיבה לכך היא שפלדת אל חלד אינה מגיבה עם חומצות חזקות יותר, כמו רוטב עגבניות למשל.
זו הסיבה שעדיף להכין רטבי עגבניות בכלי פלדה, כדי למנוע כניסת אלומיניום למזון, מכיוון שיש כאלה שקשורים לאלומיניום - שנמצאים בנוגדי חומצה, טלק, דאודורנטים ומוצרים רבים אחרים - עם הופעת מחלות ניווניות, אף שרוב המומחים, כמו גם ה- FDA, דוחים השערה זו.
סיר אלומיניום בקדמת הבמה. מקור: Pixabay.
כלי בישול העשויים מאלומיניום אנודס אינם בעלי סיכון לשחרור חלקיקי אלומיניום וניתן להשתמש בהם באופן עקרוני בבטיחות רבה יותר.
בְּרוֹנזָה
הברונזה של הפעמונים העתיקים הללו מדגימה את התועלת של מתכות למטרות נוי או דתיות. מקור: Pxhere.
ברונזה היא סגסוגת של נחושת ופח בעיקר, עם מתכות אחרות במידה פחותה. זה היה קיים מאז ימי קדם בתולדות האנושות.
זה כל כך חשוב שתקופה של פרהיסטוריה אף נקראה תקופת הברונזה, התקופה בה אנשים גילו והחלו להשתמש בתכונות של סגסוגת זו.
ברונזה עמידה בפני קורוזיה ונוחה לעבודה. בתחילה שימש לייצור כלים שונים, כלים, תכשיטים, חפצי אמנות (פסלים למשל) וכלי נשק וכן למטבעות נענע. כיום הוא עדיין משמש לייצור צינורות, חלקים מכניים וכלי נגינה.
אָבָץ
צפה בזכוכית עם תחמוצת אבץ. מקור: אדם רדז'יקובסקי
מדובר במתכת מאוד לבנה וצבעונית, כחולה-לבנה, קלה לעבוד איתה, אם כי עם נקודת התכה נמוכה. זה היה ידוע מאז ימי קדם, משמש בעיקר בסגסוגות.
הוא משמש כיום לגלוון פלדה ובכך להגן עליו מפני קורוזיה. כמו כן לייצור מצברים, פיגמנטים וייצור יריעות אבץ מיוחדות לענף הבנייה.
בַּרזֶל
סיגי ברזל על מגנט. מקור: Aney באמצעות ויקימדיה ויקימית.
ברזל הוא מתכת נוספת בעלת משמעות היסטורית רבה. כמו ברונזה, הברזל קשור לשלב של פרהיסטוריה בו חלו התקדמות טכנולוגית גדולה: תקופת הברזל.
כיום ברזל יצוק ממשיך להיות בעל יישומים רבים לייצור כלים, כלים, בבנייה וכחומר לייצור חלקי רכב.
ברזל הוא מוליך חום טוב מאוד, כפי שראינו. חפצי ברזל מפיצים חום טוב מאוד ושומרים עליו לאורך זמן. יש לו גם נקודת התכה גבוהה, מה שהופך אותה לעמידה בפני טמפרטורות גבוהות, ומכאן השימושיות שלה בייצור כל סוגי התנורים, הן תעשייתיים וביתיים.
הפניות
- CK-12. מוליכים ומבודדים תרמיים. התאושש מ: ck12.org.
- נחושת: מאפיינים ויישומים. התאושש מ: copperalliance.org.
- אפונדה. מאפייני קומון חומרים מוצקים. התאושש מ- efunda.com
- Hill, D. תכונות תרמיות של ברזל יצוק. התאושש מ: ehow.com.
- קינג, ח. השימושים הרבים בזהב. התאושש מ: geology.com.
- לִיתִיוּם. התאושש מ: gob.mx.
- פיזיקה יצירתית מחדש. העברת חום. התאושש מ: fisicarecreativa.com.
- ויקיפדיה. רשימת מוליכות תרמית. התאושש מ: es.wikipedia.org.