رسانایی حرارتی یک اصطلاح تخصصی است که به توصیف قابلیت یک ماده در جذب گرما از ناحیه‌های با دماهای بالا و انتقال آن به سمت نواحی با دماهای پایین‌تر می‌پردازد. در واقع، این مفهوم نشان‌دهنده سرعت انتقال حرارت از یک نقطه به نقطه دیگر در یک ماده است. فلزات با رسانای حرارتی بالا، عملکرد بسیار خوبی در انتقال حرارت از خود به خود نمایش می‌دهند و به عنوان جزء اصلی در ساخت ظروف پخت و پز، مبدل‌های حرارتی و سینک‌های حرارتی به کار می‌روند.
از طرف دیگر، فلزات با نرخ انتقال حرارت پایین نیز در برخی شرایط خاص ممکن است به کارآمدی برسند، به ویژه زمانی که نقش سپر حرارتی را ایفا می‌کنند، به‌عنوان مثال در موتورهای هواپیما که گرما به میزان زیادی تولید می‌شود. این مقاله به بررسی انتخاب بهترین فلزات برای انتقال حرارت در شرایط مختلف می‌پردازد و مفیدی است برای درک عملکرد مواد مختلف در زمینه انتقال حرارت.
ترتیب رسانایی حرارتی فلزات
در این مرتبه، فلزات و آلیاژهای فلزی بر اساس میانگین هدایت حرارتی خود، از کمترین تا بیشترین در دمای اتاق مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این رتبه‌بندی در واحد وات بر متر بر کلوین (W/m-K) ارائه شده است.
1. فولاد ضد زنگ (16)
2. سرب (35)
3. فولاد کربن (51)
4. آهن فرفوژه (59)
5. آهن (73)
6. آلومینیوم برنز (76)
7. برنج مس (111)
8. آلومینیوم (237)
9. مس (385)
10. نقره (429)
ضعف رسانایی حرارتی در فولاد ضد زنگ
فولاد ضد زنگ به عنوان یک فلز رسانای حرارتی، با تمام ویژگی‌های فراوان خود، در مواقع خاص محدودیت‌هایی را از نظر انتقال حرارت از خود به دیگر نقاط داراست. این فلز در کاربردهای مختلفی به کار می‌رود که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و دماهای بالا دارند. به عنوان مثال، در صنعت آشپزی، زمان استفاده از یک قابلمه از جنس فولاد ضد زنگ برای گرم کردن غذا ممکن است نسبت به یک قابلمه ته مسی بیشتر باشد. البته این موضوع محدودیت‌های خود را دارد، اما با این حال، فولاد ضد زنگ به مزایای دیگری نیز مجهز است که از جمله ایجاد مقاومت در برابر خوردگی است.
در صنایع نیروگاهی، توربین‌های بخار و گاز از جنس فولاد ضد زنگ استفاده می‌شوند. این انتخاب نشات از مقاومت بالای این فلز در برابر حرارت و خصوصیات دیگر آن است. همچنین، در زمینه معماری، روکش‌های فولادی ضد زنگ می‌توانند مقاومت بیشتری در برابر دماهای بالا داشته باشند. این خصوصیت به ساختمان‌ها این امکان را می‌دهد که با کاهش دماهای داخلی ناشی از تابش نور خورشید، به بهبود کیفیت محیط زیست و افزایش کارایی انرژی منجر شوند.
آلومینیوم با رسانای حرارتی نسبتاً بالا
آلومینیوم، با وزن سبکتر و رسانایی حرارتی کمتر نسبت به مس، به عنوان یک گزینه بسیار موثر و کاربردی در انواع زیادی از صنایع شناخته می‌شود. این فلز نه تنها از لحاظ اقتصادی مقرون به‌صرفه و کارآمد است، بلکه با وزن کمتر خود نسبت به مس، از ویژگی‌های منحصر به فردی برخوردار است. به‌عنوان نمونه، در حوزه میکروالکترونیک، از سینک‌های حرارتی با پره‌های آلومینیومی در دستگاه‌های پیشرفته مانند LED و دیودهای لیزری استفاده می‌شود. این سینک‌ها، با انتقال حرارت تولید شده توسط الکترونیک به آلومینیوم و سپس منتشر آن به هوا، نقش بسیار موثری در خنک‌کنندگی اجزای الکترونیکی ایفا می‌کنند.
فرآیند انتقال گرما از تراشه‌ها به آلومینیوم و سپس از آلومینیوم به هوا به‌صورت غیرفعال یا با استفاده از همراهی جریان هوای اجباری یا ترموالکتریکی اجرا می‌شود، که این نیز به بهبود کارایی حرارتی در دستگاه‌ها کمک می‌کند و امکان استفاده بهینه از آلومینیوم را در صنایع مختلف فراهم می‌سازد.
پیشنهاد سایت : چگونه فلزات آهنی از فلزات غیرآهنی متفاوتند؟
رسانای حرارتی بالای فلز مس
مس به عنوان یک فلز با رسانای حرارتی بسیار بالا شناخته می‌شود و در مقایسه با نقره، که به عنوان بهترین فلز برای انتقال حرارت معروف است، مس به دلیل ارزانی و دسترسی آسان‌تر، جایگاه خود را معتبر کرده است. مس، علاوه بر این موارد، در مقابل خوردگی و تجمعات زیستی نیز مقاومت بسیاری از خود نشان می‌دهد، که این ویژگی‌ها آن را به یک ماده ایده‌آل برای مصارف گوناگونی تبدیل کرده‌اند.
از جمله کاربردهای برجسته مس، می‌توان به استفاده در آبگرمکن‌های خورشیدی، آبگرمکن‌های گازی، مبدل‌های حرارتی صنعتی، یخچال‌ها، سیستم‌های تهویه مطبوع، و پمپ‌های حرارتی اشاره کرد. این وسیله چند منظوره با ویژگی‌های فنی مناسب، علاوه بر این که به بهبود کارایی حرارتی در این دستگاه‌ها کمک می‌کند، در مصارف مختلف صنعتی و خانگی از لحاظ اقتصادی نیز انتخاب محبوبی است. به طور خاص، مس به عنوان یک فلز چندمنظوره با مقاومت ویژه در برابر شرایط مختلف، نقش بسیار حیاتی و مؤثری در افزایش کارایی و پایداری انواع سیستم‌های حرارتی و سرمایشی ایفا می‌کند.
رساناترین فلز جهان: نقره
نقره، به عنوان یک فلز نرم، سفید و با بازتاب براق که از جمله عناصر تنها به حساب می‌آید، به دلیل دارا بودن بالاترین رسانایی حرارتی و الکتریکی، جایگاه ویژه‌ای در جهان مواد دارد. این فلز علاوه بر این خصوصیت‌ها، از مقاومت خوبی نیز در برابر خوردگی برخوردار است. این ویژگی‌های منحصر به فرد نقره، آن را به یک ماده بسیار کاربردی در صنایع مختلف تبدیل کرده است.
نقره به علت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مناسب خود، در کاربردهای بسیار متنوعی به کار می‌رود. از جمله این کاربردها می‌توان به استفاده در ظروف پخت و پز، تزیینات جواهرات، سکه‌ها و ابزارهای الکترونیکی اشاره کرد. در ظروف پخت و پز، نقره به دلیل رسانایی حرارتی بالا و مقاومت به خوردگی، می‌تواند نقش مهمی در افزایش کارایی و عملکرد این ظروف داشته باشد. همچنین، در جواهرات به دلیل زیبایی و براقی که به این فلز می‌بخشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. سکه‌ها و وسایل الکترونیکی نیز از خاصیت رسانایی الکتریکی برجسته نقره بهره می‌برند. به طور کلی، ویژگی‌های منحصر به فرد نقره آن را به یک انتخاب محبوب و متنوع در صنایع گوناگون تبدیل کرده است.
فلز مقاوم به خوردگی: برنج
برنج، یک آلیاژ طلایی رنگ که از ترکیب مس و روی به وجود می‌آید، علاوه بر ظاهر جذاب و پررنگ خود، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی دارد. این فلز، با رسانایی حرارتی و الکتریکی نسبتاً بالا، توانایی مناسبی در انتقال حرارت و جریان الکتریکی دارد. همچنین، مقاومت به خوردگی از دیگر خصوصیت‌های برجسته این آلیاژ است که آن را به یک ماده مطمئن کننده در برابر عوامل خارجی و شرایط محیطی مختلف تبدیل کرده است.
برنج به دلیل خصوصیات منحصر به فرد خود، در انواع مختلفی از صنایع استفاده می‌شود. در سکه‌سازی، این آلیاژ به عنوان یک ماده با زیبایی و دوام بالا، جایگاه مهمی دارد. همچنین، در تولید جواهرات، برنج به دلیل رنگارنگی و براقی که به این ماده می‌بخشد، مورد توجه قرار می‌گیرد. وسایل آشپزخانه نیز از این آلیاژ به خاطر مقاومت به خوردگی و کیفیت ظاهری آن بهره‌مند می‌شوند. به این ترتیب، برنج به‌عنوان یک فلز چند منظوره با خصوصیات منحصر به فرد، در انواع مختلفی از صنایع و کاربردها به کار گرفته می‌شود.
عوامل تأثیرگذار بر رسانایی حرارتی فلزات
در انتخاب بهترین فلزات برای هدایت حرارت، لازم است که به جز معیارهای هدایت حرارت، عوامل دیگری را نیز مد نظر قرار دهیم که بر سرعت انتقال گرما تأثیرگذارند. به‌طور مثال، دمای اولیه فلز می‌تواند در سرعت انتقال حرارت آن تأثیر زیادی داشته باشد. به‌طور مثال، در دمای اتاق، آهن دارای رسانایی حرارتی 73 است، اما در دمای 1832 درجه فارنهایت، این مقدار به 35 کاهش می‌یابد. بنابراین، عوامل مؤثر بر رسانایی فلزات شامل موارد زیر هستند:
1. ساختار شبکه کریستالی:
رسانایی حرارتی فلزات با ساختار شبکه کریستالی آنها به‌طور مستقیم مرتبط است. در یک شبکه کریستالی، الکترون‌ها به طور آزاد حرکت کرده و گرما را از نواحی با دمای بالا به نواحی با دمای پایین‌تر منتقل می‌کنند. فلزاتی که شبکه کریستالی منظم‌تری دارند، رسانایی حرارتی بالاتری دارند.
2. خلوص:
ناخالصی‌ها می‌توانند رسانایی حرارتی فلزات را کاهش دهند؛ به عبارت دیگر، فلزات خالص‌تر رسانایی حرارتی بالاتری دارند.
3. درجه حرارت:
با افزایش دما، رسانایی حرارتی فلزات نیز افزایش می‌یابد؛ این به دلیل این است که با افزایش دما، الکترون‌ها انرژی بیشتری دارند و به طور آزادانه‌تر حرکت می‌کنند.
4. فشار:
فشار با رسانایی حرارتی رابطه عکس دارد؛ یعنی هر چه فشار افزایش یابد، رسانایی فلزات کمتر می‌شود. این تأثیرات گوناگون، در انتخاب و استفاده از فلزات به منظور بهبود هدایت حرارت، اهمیت دارند و نشان‌دهنده پیچیدگی و تنوع در این زمینه است.
مقایسه رسانایی حرارتی فلزات: آهن، آلومینیوم و مس
آهن، آلومینیوم و مس از جمله فلزات رایجی هستند که در زمینه رسانایی حرارتی با مقادیر متفاوتی برخوردارند. رسانایی حرارتی به میزان گرمای منتقل شده از واحد سطح و در واحد زمان تعریف می‌شود. ساختار شبکه کریستالی فلزات باعث افزایش رسانایی حرارتی آنها می‌شود؛ در این ساختار، الکترون‌ها آزادانه حرکت کرده و گرما را از مناطق با دمای بالاتر به مناطق با دمای پایین‌تر منتقل می‌کنند.
آهن، یک فلز خاکستری مایل به سفید با رسانایی حرارتی نسبتاً بالاست؛ مقدار رسانایی حرارتی آهن حدوداً 80.5 W/m·K است. این به این معناست که 1 متر مکعب از آهن می‌تواند در هر ثانیه 80.5 وات گرما را در یک جهت منتقل کند.
آلومینیوم، یک فلز خاکستری روشن با رسانایی حرارتی بالایی است؛ رسانایی حرارتی آلومینیوم حدوداً 237 W/m·K است. این به این معناست که 1 متر مکعب از آلومینیوم می‌تواند در هر ثانیه 237 وات گرما را در یک جهت منتقل کند.
مس، یک فلز قرمزرنگ با رسانایی حرارتی بسیار بالاست؛ مقدار رسانایی حرارتی مس حدوداً 385 W/m·K است. این به این معناست که 1 متر مکعب از مس می‌تواند در هر ثانیه 385 وات گرما را در یک جهت منتقل کند.
همانطور که مشاهده می‌شود، مس نسبت به آهن و آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی بالاتری است. این به این معناست که مس قابلیت انتقال گرما را بهتر از آهن و آلومینیوم دارد و این ویژگی مهم در تصمیم‌گیری در انتخاب مواد برای انتقال حرارت واضح می‌شود.
جدول ضریب انتقال حرارتی فلزات: کاربردها و خصوصیات
در این جدول، ضریب انتقال حرارتی فلزات به تفصیل نشان داده شده است؛ این ضریب به میزان گرمایی اشاره دارد که در واحد زمان از واحد سطح فلز منتقل می‌شود. فلزات با ضریب انتقال حرارتی بالا، به عنوان مواد مناسب برای کاربردهایی نظیر مبدل‌های حرارتی و سینک‌های حرارتی استفاده می‌شوند. در عوض، فلزات با ضریب انتقال حرارتی پایین، برای کاربردهایی مانند عایق‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
– نقره: 429
– مس: 385
– آلومینیوم: 237
– برنج: 111
– فولاد ضد زنگ: 16
– آهن: 80.5
– پلاتین: 132
– نیکل: 89
– تیتانیوم: 23
– منیزیم: 152
در این مطلب، انواع فلزات را از منظر انتقال حرارت و انتقال گرما جزئی‌تر مورد بررسی قرار داده‌ایم و به بهترین فلزات برای انتقال حرارت اشاره کرده‌ایم. به‌عنوان مثال، نقره که رسانایترین فلز جهان است، گرما را بسیار سریع‌تر از دیگر فلزات منتقل می‌کند. فلزات با ضریب حرارتی بالا، به عنوان مبدل یا سینک حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی‌که فلزات با ضریب حرارتی پایین (مانند منیزیم)، به عنوان عایق مورد استفاده قرار می‌گیرند و در کاربردهایی مانند عایق‌های حرارتی به کار می‌روند.
پیشنهاد سایت : طول هر شاخه‌ی تیرآهن
