بهترین فلزات برای انتقال حرارت و رسانایی گرمایی [بررسی 10 فلز اول]

زمان مطالعه: 7 دقیقه

رسانایی گرمایی اصطلاحی است که توصیف می‌ کند، یک ماده با چه سرعتی گرما را از مناطق با دمای بالا جذب کند و آن را به سمت مناطق با دمای پایین تر حرکت دهد. بهترین فلزات رسانای گرما، رسانای حرارتی بالایی دارند و برای بسیاری از کاربردها مانند ظروف پخت و پز، مبدل های حرارتی و سینک های حرارتی مفید هستند.

از سوی دیگر، فلزات با نرخ انتقال حرارت پایین تر نیز در مواردی مفید هستند که بتوانند به عنوان یک سپر حرارتی در کاربردهایی که مقادیر زیادی گرما تولید می‌ کند، مانند موتورهای هواپیما، عمل نمایند. در این مطلب به بررسی این موضوع که بهترین فلزات برای انتقال حرارت کدام هستند، می‌ پردازیم.

رسانایی گرمایی چیست؟

رسانایی گرمایی، توانایی مواد برای انتقال گرما از جایی خنک به جای گرم تر است. به عبارت ساده‌ تر، گرما با استفاده از رسانایی گرمایی، از اتم‌ های گرم به اتم‌ های سرد منتقل می‌ شود. فرض کنید یک قاشق فلزی را داخل سوپ داغ فرو می‌ کنید. بعد از چند ثانیه، دسته قاشق هم داغ می‌ شود. چطور این اتفاق می‌ افتد؟ این جادوی رسانایی گرمایی است!

مثال‌ هایی از رسانایی گرمایی:

• ظرف فلزی: وقتی غذای داغ را داخل ظرف فلزی می‌ ریزیم، گرما از غذا به ظرف منتقل شده و ظرف هم داغ می‌ شود.
• اتو: وقتی اتو را روی لباس می‌ کشیم، گرما از اتو به لباس منتقل شده و لباس صاف می‌ شود.
• بخاری: بخاری با گرم کردن هوا، گرما را به فضای اتاق منتقل می‌ کند.

عواملی مختلفی بر رسانایی گرمایی فلزات تاثیر می گذارند. مثلا هرچه ماده ضخیم‌ تر باشد، گرما را کندتر منتقل می‌ کند. یا هرچه اختلاف دما بین دو جسم بیشتر باشد، گرما سریع‌ تر بین آنها منتقل می‌ شود.

روش انتقال گرما در فلزات

گرما به عنوان یکی از انرژی‌ های بنیادی در جهان، از طریق سه روش اصلی منتقل می‌ شود:

• رسانش (Conduction)
• همرفت (Convection)
• تابش (Radiation)

در روش رسانش، گرما از طریق برخورد اتم‌ های گرم با اتم‌ های سرد منتقل می‌ شود. اتم‌ های گرم در ماده به طور مداوم در حال ارتعاش هستند و به اتم‌ های مجاور خود برخورد می‌ کنند. این برخوردها انرژی جنبشی اتم‌ ها را به یکدیگر منتقل می‌ کند و در نتیجه، گرما از اتم‌ های گرم به اتم‌ های سرد منتقل می‌ شود.

انتقال گرمای سوپ به قاشق فلزی، انتقال گرمای آتش به میله فلزی نزدیک به آن و منتقل شدن حرارت آب گرم داخل رادیاتور به بدنه آن مثال هایی از روش انتقال حرارت رسانش هستند.

در روش تابش، گرما به صورت امواج الکترومغناطیسی از ماده منتشر می‌ شود. برخلاف رسانش، تابش برای انتقال گرما نیازی به تماس مستقیم بین اتم‌ها ندارد و می‌تواند در خلا نیز اتفاق بیفتد. گرم شدن زمین توسط خورشید، گرم شدن بدن انسان در مقابل بخاری و گرم شدن غذا در مایکروویو همگی مثال هایی از انتقال گرما به روش تابش هستند.

در روش همرفت، گرما از طریق حرکت توده‌ های سیال منتقل می‌ شود. سیالات مانند آب، هوا و روغن می‌ توانند گرما را از طریق همرفت منتقل کنند. نکته مهم اینکه گرانش زمین نقش مهمی در همرفت دارد و باعث می‌ شود سیال گرم به سمت بالا و سیال سرد به سمت پایین حرکت کند. مکانیزم همرفتی 5 مرحله ای است.

زمانی که سیال در مجاورت منبع گرما قرار می‌ گیرد، مولکول‌ های آن گرم شده و منبسط می‌ شوند. با گرم شدن، چگالی سیال کاهش می‌ یابد و به سمت بالا حرکت می‌ کند. سیال گرم شده به سمت بالا حرکت می‌ کند و جای خود را به سیال سردتر و متراکم‌ تر می‌ دهد. این حرکت مداوم سیال گرم به سمت بالا و سیال سرد به سمت پایین، یک جریان چرخشی در سیال ایجاد می‌ کند. در نهایت با حرکت سیال، گرما نیز از نواحی گرم‌ تر به نواحی سردتر منتقل می‌ شود.

رسانایی گرمایی فلزات به ترتیب

در اینجا رتبه بندی فلزات رسانای گرما و آلیاژهای فلزی، از کمترین تا بالاترین میانگین هدایت حرارتی، بر حسب وات/متر-K در دمای اتاق آمده است.

• نقره (429)
• مس (401)
• آلومینیوم (237)
• برنج مسی (111)
• آلومینیوم برنز (76)
• آهن (73)
• آهن فرفوژه (59)
• فولاد کربن (51)
• سرب (35)
• فولاد (16)

همانطور که در لیست بالا مشاهده می کنید، نقره با رسانایی گرمایی 429 W/(m·K) رساناترین فلز شناخته شده در جهان است. پس از آن مس با رسانایی گرمایی 398 W/(m·K) دومین فلز رساناست و به دلیل قیمت مناسب و در دسترس بودن، در بسیاری از کاربردها به عنوان جایگزینی برای نقره استفاده می‌ شود.

آلومینیوم با رسانایی گرمایی 237 W/(m·K) فلز رسانای بعدی است و به دلیل وزن کم و قیمت مناسب، در صنایع مختلف از جمله هوافضا، ساختمان و بسته‌ بندی کاربرد دارد. پس از آن سایر فلزات لیست بالا با کاربردهای متنوعی قرار می گیرند.

چرا رسانایی گرمایی فلزات برای انسان مهم است؟

رسانایی گرمایی فلزات برای انسان در زمینه‌ های مختلفی از زندگی روزمره تا صنایع پیشرفته، نقشی حیاتی ایفا می‌ کند. در اینجا به برخی از مهم‌ ترین کاربردهای آن اشاره می‌ کنیم.

ردیف	کاربرد در صنعت	شرح
1	پخت و پز	ظروف فلزی از جمله قابلمه‌، ماهیتابه‌ و فنجان‌ به دلیل رسانایی گرمایی بالا، گرما را به سرعت و به طور یکنواخت به مواد غذایی منتقل می ‌کنند و باعث پخت سریع و آسان می شوند.
2	گرمایش و سرمایش	در سیستم ‌های گرمایشی و سرمایشی از فلزات رسانا مانند مس، آلومینیوم و فولاد برای انتقال گرما از منبع گرما (مانند بخاری یا رادیاتور) به محیط اطراف استفاده می‌ شود. رادیاتورها و لوله‌ های آب گرم نمونه ‌هایی از این کاربرد هستند.
3	ساخت و ساز	در ساختمان ‌ها از مصالح فلزی مانند میلگرد، تیرآهن و ورق ‌های فلزی برای افزایش استحکام و مقاومت سازه استفاده می ‌شود. همچنین از فلزات رسانا در سیستم‌ های تهویه مطبوع و عایق ‌بندی ساختمان ‌ها برای تنظیم دمای داخل و خارج ساختمان استفاده می‌ کنند.
4	برق و الکترونیک	در سیم‌ ها و کابل ‌های برق از فلزات رسانا مانند مس و آلومینیوم برای انتقال جریان الکتریکی استفاده می ‌شود. همچنین از فلزات رسانا در قطعات الکتریکی و الکترونیکی مانند ترانزیستورها، خازن ‌ها و مقاومت‌ ها استفاده می‌ شود.
5	حمل و نقل	در وسایل نقلیه از فلزات رسانا مانند آلومینیوم و فولاد برای ساخت بدنه، موتور و سایر اجزا استفاده می‌ شود. همچنین در سیستم‌ های ترمز و خنک‌ کننده وسایل نقلیه نیز کاربرد دارند.
6	پزشکی	در تجهیزات پزشکی از فلزات رسانا مانند فولاد ضد زنگ و تیتانیوم برای ساخت ایمپلنت‌ های دندانی، مفصل‌ های مصنوعی و ابزارهای جراحی استفاده می‌ شود. همچنین در دستگاه‌ های تصویربرداری پزشکی مانند MRI و CT اسکن نیز کاربرد دارند.
7	صنایع غذایی	در صنایع غذایی از فلزات رسانا مانند فولاد ضد زنگ و آلومینیوم برای ساخت ظروف و تجهیزات فرآوری مواد غذایی استفاده می ‌شود. همچنین در سیستم ‌های گرمایش و سرمایش و بست ه‌بندی مواد غذایی کاربرد دارند.
8	هوافضا	در صنایع هوافضا از فلزات رسانا مانند آلومینیوم و تیتانیوم برای ساخت بدنه هواپیما، موتورها و سایر اجزا استفاده می‌ شود. همچنین در سیستم ‌های خنک ‌کننده و هیدرولیک هواپیما کاربرد دارند.
9	صنایع دیگر	از فلزات رسانا در صنایع مختلفی مانند نساجی، شیمیایی، دارویی و ساخت ماشین ‌آلات استفاده می ‌شود.

در مجموع، رسانایی گرمایی فلزات نقش حیاتی در بسیاری از جنبه‌ های زندگی انسان ایفا می‌ کند و به ما امکان می‌ دهد تا از فلزات در طیف گسترده‌ ای از کاربردها استفاده کنیم.

عوامل مؤثر بر رسانایی حرارتی فلزات

هنگام در نظر گرفتن بهترین فلزات برای هدایت گرما، باید علاوه بر هدایت حرارتی، عوامل دیگری را نیز در نظر بگیرید که بر سرعت جریان گرما تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، دمای اولیه فلز می‌ تواند تفاوت زیادی در سرعت انتقال حرارت آن ایجاد کند. در دمای اتاق، آهن رسانایی حرارتی 73 دارد. اما در 1832 درجه فارنهایت، رسانایی آن به 35 کاهش می‌ یابد. پس عواملی که بر رسانایی فلزات تاثیر می گذارند عبارتند از:

• ساختمان شبکه کریستالی
• خلوص
• درجه حرارت
• فشار
• کار سرد
• آلیاژسازی

رسانایی حرارتی فلزات با ساختار شبکه کریستالی آنها ارتباط مستقیم دارد. در یک شبکه کریستالی، الکترون ها آزادانه حرکت می کنند و گرما را از مناطق با دمای بالاتر به مناطق با دمای پایین تر منتقل می کنند. فلزاتی که دارای شبکه کریستالی منظم تری هستند، رسانایی حرارتی بالاتری دارند.

همچنین ناخالصی ها می توانند رسانایی حرارتی فلزات را کاهش دهند؛ فلزات خالص تر رسانایی حرارتی بالاتری دارند. با افزایش دما نیز، رسانایی حرارتی فلزات نیز افزایش می یابد. این به این دلیل است که با افزایش دما، الکترون ها انرژی بیشتری دارند و می توانند آزادانه تر حرکت کنند. فشار با رسانایی حرارتی رابطه عکس دارد. هر چه فشار افزایش یابد، رسانایی فلزات کمتر می شود.

جدول ضریب انتقال حرارتی فلزات

این جدول ضریب انتقال حرارتی فلزات را نشان می دهد؛ این ضریب میزان گرمایی است که در واحد زمان، از واحد سطح آن منتقل می شود. فلزاتی که ضریب انتقال حرارتی بالا برای انتقال گرما دارند در کاربردهایی مانند مبدل های حرارتی و سینک های حرارتی استفاده می شوند. فلزاتی که ضریب انتقال حرارتی پایین دارند برای کاربردهایی مانند عایق استفاده می شوند.

نام فلز	(W/m·K)ضریب انتقال حرارتی
نقره	429
مس	385
آلومینیوم	237
برنج	111
فولاد ضد زنگ	16
آهن	80.5
پلاتین	132
نیکل	89
تیتانیوم	23
منیزیم	152

مقایسه رسانایی گرمایی آهن و آلومینیوم و مس

آهن، آلومینیوم و مس از فلزات رایج با رسانایی حرارتی متفاوتی هستند. رسانایی حرارتی یک ماده میزان گرمایی است که در واحد زمان، از واحد سطح آن منتقل می شود. فلزات به دلیل ساختار شبکه کریستالی خود، رسانایی حرارتی بالایی دارند. در این ساختار، الکترون ها آزادانه حرکت کرده و گرما را از مناطق با دمای بالاتر به مناطق با دمای پایین تر منتقل می کنند.

آهن یک فلز خاکستری مایل به سفید است که رسانایی حرارتی نسبتاً بالایی دارد. رسانایی حرارتی آهن 80.5 W/m·K است. این بدان معناست که 1 متر مکعب از آهن، می تواند 80.5 وات گرما را در هر ثانیه در یک جهت منتقل کند.

آلومینیوم یک فلز خاکستری روشن است که رسانایی حرارتی بالایی دارد. رسانایی حرارتی آلومینیوم 237 W/m·K است. این بدان معناست که 1 متر مکعب از آلومینیوم می تواند 237 وات گرما را در هر ثانیه در یک جهت منتقل کند.

مس یک فلز قرمز رنگ است و رسانایی حرارتی بالا دارد. رسانایی حرارتی مس 385 W/m·K است. این بدان معناست که 1 متر مکعب از مس می تواند 385 وات گرما را در هر ثانیه در یک جهت منتقل کند.

همانطور که مشاهده می کنید، مس دارای رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به آهن و آلومینیوم است. این بدان معناست که مس می تواند گرما را سریع تر از آهن و آلومینیوم منتقل کند.

در این مطلب فلزات را از لحاظ انتقال حرارت و گرما مقایسه کردیم و بهترین فلزات برای انتقال حرارت معرفی شد. همانطور که متوجه شدید نقره رساناترین فلز جهان است و گرما را بسیار سریع تر از سایر فلزات منتقل می کند. فلزاتی که ضریب حرارتی بالایی دارند به عنوان مبدل یا سینک حرارتی استفاده می شوند. در مقابل فلزات با ضریب حرارتی پایین (مانند منیزیم)، به عنوان عایق استفاده می شوند.