بهترین فلزات برای انتقال حرارت

زمان مطالعه: 5 دقیقه

رسانایی حرارتی 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 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.

• فولاد ضد زنگ (16)
• سرب (35)
• فولاد کربن (51)
• آهن فرفوژه (59)
• آهن (73)
• آلومینیوم برنز (76)
• برنج مس (111)
• آلومینیوم (237)
• مس (385)
• نقره (429)

فولاد ضد زنگ، ضعیف ترین رسانای گرما

فولاد ضد زنگ، یک فلز رسانای حرارتی ضعیف است. این فلز به طور گسترده ای در کاربردهایی استفاده می شود که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و دمای بالا دارند. این به این معنی است که یک قابلمه از جنس ضد زنگ نسبت به یک قابلمه ته مسی برای گرم کردن غذا، زمان بیشتری لازم دارد (اگرچه ضد زنگ مزایای دیگری نیز دارد).

توربین‌ های بخار و گاز در نیروگاه ها از جنس فولاد ضد زنگ هستند، زیرا در برابر حرارت و سایر خواص آن مقاومت بالایی دارند. در معماری، روکش های فولادی ضد زنگ می‌ توانند در برابر دمای بالا مقاومت بیشتری داشته باشند و ساختمان ها را در مقابل نور خورشید خنک تر نگه دارند.

آلومینیوم، رسانای حرارتی نسبتا بالا

در حالی که آلومینیوم رسانایی حرارتی کمتری نسبت به مس دارد وزن آن سبک تر، ارزان تر، و کار کردن با آن آسان تر است؛به همین دلیل برای بسیاری از کاربردها انتخاب بهتری محسوب می شود. به عنوان مثال، میکروالکترونیک ها مانند LED ها و دیودهای لیزری از سینک های حرارتی کوچک با پره های آلومینیومی استفاده می کنند که در هوا پخش می شوند.

گرمای تولید شده توسط الکترونیک از تراشه به آلومینیوم و سپس به هوا منتقل می شود. این عملیات به صورت صورت غیرفعال یا با کمک همرفت جریان هوای اجباری یا خنک کننده ترموالکتریک انجام خواهد شد.

مس، رسانای حرارتی بالا

فلز مس رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد و نسبت به نقره که بهترین فلز برای انتقال حرارت است، بسیار ارزان تر و در دسترس تر به نظر می رسد.. مس در برابر خوردگی و رسوبات زیستی مقاومت دارد و آن را به ماده خوبی برای آبگرمکن های خورشیدی، آبگرمکن های گازی، مبدل های حرارتی صنعتی، یخچال ها، تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی تبدیل می کند.

نقره، رساناترین فلز جهان

نقره یک فلز نرم، سفید و براق است. این فلز دارای بالاترین رسانایی حرارتی و الکتریکی در بین تمام فلزات است. این فلز همچنین مقاومت نسبتاً خوبی در برابر خوردگی دارد. از نقره به طور گسترده ای در کاربردهای مختلفی مانند ظروف پخت و پز، جواهرات، سکه ها، و وسایل الکترونیکی استفاده می شود.

برنج، فلز مقاوم به خوردگی

برنج یک آلیاژ طلایی رنگ از مس و روی است. این آلیاژ دارای رسانایی حرارتی و الکتریکی نسبتاً بالایی بوده و دارای مقاومت خوبی در برابر خوردگی است. برنج به طور گسترده ای در کاربردهای مختلفی مانند سکه ها، جواهرات و وسایل آشپزخانه استفاده می شود.

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.

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.

جدول ضریب انتقال حرارتی فلزات

این جدول ضریب انتقال حرارتی فلزات را نشان میدهد؛ 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

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.

بهترین فلزات برای انتقال حرارت کدامند؟

مس، آلومینیوم، برنج، فولاد ضد زنگ، آهن، پلاتین، نیکل و منیزیم هستند.

ضریب انتقال حرارتی چیست؟

میزان گرمایی است که در واحد زمان، از واحد سطح آن منتقل می شود.

از بین آهن، مس و آلومینیوم کدامیک رساناتر هستند؟

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.