Toplotna provodljivost

Prosta definicija toplotne provodljivosti

   

    Toplotna provodljivost je u fizici skalarna veličina (k) koja opisuje sposobnost substance da provodi toplotu. Što je toplotna provodljivost veća, to se veća količina toplote može preneti kroz isti poprečni presek, u istom vremenu. Pojavljuje se prvenstveno u Fourierovom zakonu kondukcije (1822. godina, Theorie Analytique de la chaleur - Analitička teorija toplote).
Na osnovu Videman Francovog zakona, dobri električni provodnici su i dobri toplotni provodnici. Za metale specifična električna provodljivost je uporediva sa toplotnom provodljivosću, zbog toga što su slobodni elektroni koji se nalaze u velikom broju u nekim metalima zaslužni kako za električni, tako i za toplotni transport.
Da bi se razumele varijacije toplotne provodljivosti na niskim temperaturama, mora se obratiti pažnja na različite mehanizme transporta energije kroz materijal.

Postoje tri bazična mehanizma odgovorna za prenos toplote kroz materijal:
1. Kretanje elektrona, kao kod metalnih provodnika.
2. Vibracija kristalne rešetke (fonon kretanje) kod svih materijala u čvrstom stanju.
3. Molekularno kretanje, kod organskih čvrstih materija i gasova.

U slučajevima kada su elektroni nosioci toplotne energije, toplotni kapacitet je linearan sa temperaturom, a srednji slobodni put je približno konstantan, tako da se dobija da toplotna provodljivost linearno raste sa temperaturom.
Kada su nosioci toplotne energije fononi (fonon je naziv za vibracije između atoma ili molekula kristalne rešetke, može se posmatrati kao kvazi čestica u kristalu, kao posledica vibracionog kretanja, pošto ne može postojati samostalno, nezavisno od kristalne rešetke u kojoj postoje vibracije, fonon nije čestica, već kvazi čestica) toplotni kapacitet raste kubno sa temperaturom, srednji slobodni put je približno konstantan, tako da toplotna provodljivost raste sa temperaturom po kubnom zakonu.

U tečnostima, primarni mehanizam za prenos toplote je prenos molekularno vibracione energije, dok se kod gasova toplota prenosi transferom translacione energije (kod jednoatomnih gasova), i translacionom i rotacionom energijom (kod višeatomnih gasova).

Kod svih gasova toplotna provodljivost opada kako se snižava temperatura. Smanjenje temperature dovodi do smanjenja srednje molekularne brzine, uzročno dovodeći do smanjenja toplotne provodljivosti.

Sve kriogene tečnosti osim vodonika i helijuma imaju povećanje toplotne provodljivosti kako temperatura opada. Tečni vodonik i helijum se ponašaju suprotno od drugih tečnosti u opsegu kriogenih temperatura.

Kod metala energija se transportuje kretanjem elektrona i kretanjem fonona, ipak, kod većine električnih provodnika, doprinos elektrona za transport energije je mnogo veći za temperature iznad temperatura tečnog azota. Specifična toplota elektrona je direktno proporcionalna apsolutnoj temperaturi, i srednji slobodni put elektrona u tom opsegu temperatura je obrnutno proporcionalan apsolutnoj temperaturi. Kako se apsolutna temperatura spušta ispod temperature tečnog azota, uloga fonona u transportu energije postaje ogromna. Toplotna provodljivost raste do veoma visokih maksimalnih vrednosti kao se temperatura snižava, sve dok srednji slobodni put nosioca energije ne postane reda veličine uzorka materijala. Kada se to stanje dostigne, granice materijala počinju da prave otpor za kretanje nosioca energije, i srednji slobodni put postaje konstanta (približno jednak debljini materijala). Pošto specifična toplota opada do nule kako se apsolutna temperatura približava nuli, tako i toplotna provodljivost takođe opada sa opadanjem temperatura u taj veoma nizak temperaturni region.

U legurama i nečistim metalima, doprinos elektrona i fonona transportu energije je istog reda i inteziteta. Kod njih dolazi do rasipanja nosioca energije usled prisustva atoma nečistoća. Efekat rasipanja je direktno proporcionalan apsolutnoj temperaturi. Toplotna provodljivost legura i nečistih metala opada kako i temperatura opada, i maksimum u toplotnoj provodljivosti se gubi kod legura i nečistih metala.

Toplotna provodljivost superprovodnika nije toliko spektakularna kao električna provodljivost. Iz objašnjenja toplotne provodljivosti normalnih metala dolazi se do zaključka da se toplotna provodljivost superprovodnika može rasti ili opadati. Za čiste metale, kod kojih je toplotna provodljivost uglavnom pomoću elektrona, toplotna provodljivost se smanjuje u superprovodljivom stanju. Pošto elektroni mogu primiti samo onoliku količinu toplote koliki je energetski jaz između nivoa, ni manje, ni više.U nečistim metalima ili legurama, koji provode toplotu uglavnom pomoću fonona, toplotna provodljivost raste ispod određene temperature, pošto postoji sve manje elektrona koji rasipaju fonone.

Uvek treba imati na umu da je toplotna provodljivost metala veća nego toplotna provodljivost tečnosti, dok je toplotna provodljivost tečnosti veća nego toplotna provodljivost gasova.

Među najviše korišćenim materijalima bakar ima dobru provodljivost, nerđajući čelik ima lošu provodljivost.