Дали температурата влијае на електричната и топлинската спроводливост?

Електричниспроводливостyстои какофундаментален параметарво физиката, хемијата и современото инженерство, со значајни импликации низ широк спектар на области,од производство во голем обем до ултрапрецизна микроелектроника. Неговата витална важност произлегува од нејзината директна корелација со перформансите, ефикасноста и сигурноста на безброј електрични и термички системи.

Ова детално објаснување служи како сеопфатен водич за разбирање на сложената врска помеѓуелектрична спроводливост (σ), топлинска спроводливост(κ)и температура (T)Понатаму, систематски ќе ги истражуваме однесувањата на спроводливоста на различни класи на материјали, почнувајќи од вообичаени спроводници до специјализирани полупроводници и изолатори, како што се сребро, злато, бакар, железо, раствори и гума, што го премостува јазот помеѓу теоретското знаење и индустриските апликации во реалниот свет.

По завршувањето на ова читање, ќе бидете опремени со робусно, нијансирано разбирањеоднаоднос на температура, спроводливост и топлина.

Содржина:

1. Дали температурата влијае на електричната спроводливост?

2. Дали температурата влијае на топлинската спроводливост?

3. Односот помеѓу електричната и топлинската спроводливост

4. Спроводливост наспроти хлорид: клучни разлики

I. Дали температурата влијае на електричната спроводливост?

На прашањето „Дали температурата влијае на спроводливоста?“ е одговорено дефинитивно: Да.Температурата врши критично, материјално зависно влијание и врз електричната и врз топлинската спроводливост.Во критичните инженерски апликации, од пренос на енергија до работа на сензорот, односот помеѓу температурата и спроводливоста ги диктира перформансите на компонентите, маржите на ефикасност и безбедноста при работа.

Како температурата влијае на спроводливоста?

Температурата ја менува спроводливоста со промена наколку лесноНосачите на полнеж, како што се електроните или јоните, или топлината се движат низ материјалот. Ефектот е различен за секој тип материјал. Еве точно како функционира, како што е јасно објаснето:

1.Метали: спроводливоста се намалува со зголемување на температурата

Сите метали се спроведуваат преку слободни електрони кои лесно течат на нормални температури. Кога се загреваат, атомите на металот вибрираат поинтензивно. Овие вибрации дејствуваат како пречки, расејувајќи ги електроните и забавувајќи го нивниот тек.

Поточно, електричната и топлинската спроводливост постојано се намалуваат со зголемувањето на температурата. Во близина на собна температура, спроводливоста обично опаѓа за~0,4% на покачување од 1°C.Спротивно на тоа,кога температурата се зголемува за 80°C,металите губат25–30%на нивната оригинална спроводливост.

Овој принцип е широко применет во индустриската обработка, на пример, топлите средини го намалуваат безбедниот капацитет на струја во ожичувањето и ја намалуваат дисипацијата на топлина во системите за ладење.

2. Кај полупроводниците: спроводливоста се зголемува со температурата

Полупроводниците почнуваат со електрони цврсто врзани во структурата на материјалот. На ниски температури, малкумина можат да се движат за да носат струја.Како што температурата се зголемува, топлината им дава на електроните доволно енергија за да се ослободат и да течат. Колку е потопла, толку повеќе носители на полнеж стануваат достапни,значително ја зголемува спроводливоста.

Во поинтуитивни термини, вспроводливоста нагло се зголемува, честопати дуплирајќи се на секои 10-15°C во типични опсези.Ова помага во перформансите при умерена топлина, но може да предизвика проблеми ако е премногу жешко (прекумерно истекување), на пример, компјутерот може да се сруши ако чипот изграден од полупроводник се загрее на висока температура.

3. Кај електролити (течности или гелови во батерии): спроводливоста се подобрува со топлина

Некои луѓе се прашуваат како температурата влијае на електричната спроводливост на растворот, а еве го овој дел. Електролитите спроведуваат јони кои се движат низ растворот, додека студот ги прави течностите густи и бавни, што резултира со бавно движење на јоните. Заедно со зголемувањето на температурата, течноста станува помалку вискозна, па јоните дифундираат побрзо и го носат полнежот поефикасно.

Сѐ на сѐ, спроводливоста се зголемува за 2–3% на 1°C, додека сѐ се стабилизира. Кога температурата се зголемува за повеќе од 40°C, спроводливоста опаѓа за ~30%.

Можете да го откриете овој принцип во реалниот свет, како системи како батериите кои се полнат побрзо кога се топли, но ризикуваат оштетување ако се прегреат.

II. Дали температурата влијае на топлинската спроводливост?

Топлинската спроводливост, мерката за тоа колку лесно топлината се движи низ материјал, обично се намалува со зголемувањето на температурата кај повеќето цврсти материи, иако однесувањето варира во зависност од структурата на материјалот и начинот на кој се пренесува топлината.

Кај металите, топлината тече главно преку слободни електрони. Со зголемувањето на температурата, атомите вибрираат посилно, расејувајќи ги овие електрони и нарушувајќи го нивниот пат, што ја намалува способноста на материјалот ефикасно да ја пренесува топлината.

Кај кристалните изолатори, топлината патува преку атомски вибрации познати како фонони. Повисоките температури предизвикуваат овие вибрации да се интензивираат, што доведува до почести судири меѓу атомите и јасен пад на топлинската спроводливост.

Кај гасовите, пак, се случува спротивното. Со зголемувањето на температурата, молекулите се движат побрзо и се судираат почесто, пренесувајќи ја енергијата помеѓу судирите поефикасно; затоа, топлинската спроводливост се зголемува.

Кај полимерите и течностите, мало подобрување е вообичаено со зголемување на температурата. Потоплите услови им овозможуваат на молекуларните ланци да се движат послободно и да го намалат вискозитетот, што го олеснува поминувањето на топлината низ материјалот.

III. Односот помеѓу електричната и топлинската спроводливост

Дали постои корелација помеѓу топлинската спроводливост и електричната спроводливост? Можеби се прашувате за ова прашање. Всушност, постои силна врска помеѓу електричната и топлинската спроводливост, но оваа врска има смисла само за одредени видови материјали, како што се металите.

1. Силната врска помеѓу електричната и топлинската спроводливост

За чисти метали (како бакар, сребро и злато), важи едноставно правило:Ако материјалот е многу добар во спроведувањето на електрична енергија, тој е исто така многу добар во спроведувањето на топлина.Овој принцип се заснова на феноменот на споделување на електрони.

Кај металите, и електричната енергија и топлината првенствено се пренесуваат преку истите честички: слободни електрони. Затоа високата електрична спроводливост води до висока топлинска спроводливост во одредени случаи.

Занаелектричнипроток,кога се применува напон, овие слободни електрони се движат во една насока, носејќи електричен полнеж.

Кога станува збор занатоплинапроток, едниот крај на металот е жежок, а другиот е ладен, и истите овие слободни електрони се движат побрзо во жешката област и се судираат со побавните електрони, брзо пренесувајќи енергија (топлина) во ладната област.

Овој споделен механизам значи дека ако металот има многу високо подвижни електрони (што го прави одличен електричен спроводник), тие електрони дејствуваат и како ефикасни „носители на топлина“, што формално е опишано сонаВидеман-ФранцПраво.

2. Слабата врска помеѓу електричната и топлинската спроводливост

Односот помеѓу електричната и топлинската спроводливост ослабува кај материјалите каде што полнежот и топлината се пренесуваат преку различни механизми.

IV. Спроводливост наспроти хлорид: клучни разлики

Иако и електричната спроводливост и концентрацијата на хлориди се важни параметри воанализа на квалитетот на водата, тие мерат фундаментално различни својства.

Спроводливост

Спроводливоста е мерка за способноста на растворот да пренесува електрична струја. Iт ги меривкупна концентрација на сите растворени јониво водата, која вклучува позитивно наелектризирани јони (катјони) и негативно наелектризирани јони (анјони).

Сите јони, како што е хлоридот (Cl^-), натриум (Na⁺), калциум (Ca²⁺), бикарбонат и сулфат, придонесуваат за вкупната спроводливост mмерено во микроСименс на сантиметар (µS/cm) или милиСименс на сантиметар (mS/cm).

Спроводливоста е брз, општ индикатородВкупноРастворени цврсти материи(TDS) и целокупната чистота или соленоста на водата.

 Концентрација на хлориди (Cl^-)

Концентрацијата на хлорид е специфично мерење само на хлоридниот анјон присутен во растворот.Го меримаса само на хлоридните јони(Cl^-) присутни, често добиени од соли како натриум хлорид (NaCl) или калциум хлорид (CaCl₂).

Ова мерење се изведува со употреба на специфични методи како што се титрација (на пр., аргентометриски метод) или јоно-селективни електроди (ISE)во милиграми на литар (mg/L) или делови на милион (ppm).

Нивоата на хлориди се критични за проценка на потенцијалот за корозија во индустриските системи (како котли или ладилни кули) и за следење на навлегувањето на соленоста во снабдувањето со вода за пиење.

Накратко, хлоридот придонесува за спроводливоста, но спроводливоста не е специфична за хлоридот.Ако концентрацијата на хлориди се зголеми, вкупната спроводливост ќе се зголеми.Меѓутоа, ако вкупната спроводливост се зголеми, тоа може да се должи на зголемување на хлоридот, сулфатот, натриумот или која било комбинација од други јони.

Затоа, спроводливоста служи како корисна алатка за скрининг (на пр., ако спроводливоста е ниска, хлоридот е веројатно низок), но за следење на хлоридот конкретно за корозија или регулаторни цели, мора да се користи целен хемиски тест.