9 WÄRMELEITER UND IHRE EIGENSCHAFTEN - WISSENSCHAFT - 2025

Die Wärmeleiter sind Materialien, deren Struktur so ist, dass Wärme leicht durch sie hindurchtreten kann. Es muss daran erinnert werden, dass alle Materie aus Atomen und Molekülen in ständiger Schwingungsbewegung besteht und dass die Wärme zu einer stärkeren Bewegung dieser Teilchen führt.

Einige Materialien leiten Wärme besser als andere, da ihre interne Konfiguration diesen Energiefluss erleichtert. Holz zum Beispiel ist kein guter Wärmeleiter, da das Aufheizen lange dauert. Andererseits sind es Eisen, Kupfer und andere Metalle, was bedeutet, dass ihre Partikel sehr schnell kinetische Energie aufnehmen.

In Computerchips verwendetes Wärmeleitpaste ist ein guter Wärmeleiter, jedoch kein Strom. Quelle: Wikimedia Commons.

Aus diesem Grund sind Metalle die Favoriten für die Herstellung von Küchenutensilien wie Töpfen und Pfannen. Sie erwärmen sich schnell und erreichen Temperaturen, die hoch genug sind, damit die Speisen richtig kochen können.

Griffe und Griffe, die mit den Händen des Benutzers in Kontakt stehen, bestehen jedoch aus anderen wärmeisolierenden Materialien. Auf diese Weise sind die Pfannen auch in heißem Zustand leicht zu handhaben.

Arten von Leitern

Materialien werden je nach Art der Wärmeleitung in folgende Kategorien eingeteilt:

- Wärmeleiter : Diamant und Metalle wie Kupfer, Eisen, Zink und Aluminium, unter anderem. Normalerweise sind gute Stromleiter auch gute Wärmeleiter.

- Wärmeisolatoren : Holz, Gummi, Glasfaser, Kunststoff, Papier, Wolle, Anime, Kork, Polymere sind gute Beispiele. Gase sind auch keine guten Leiter.

Wärmeleitfähigkeit von Materialien

Die Eigenschaft, die die Art und Weise charakterisiert, wie jeder von ihnen Wärme leitet, wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Je höher die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes ist, desto besser leitet er Wärme.

Die Wärmeleitfähigkeit von Substanzen wird experimentell bestimmt. Im SI International System of Units wird die Wärmeleitfähigkeit in Watt / (Meter x Kelvin) oder W / (mK) gemessen. Es wird wie folgt interpretiert:

Eine andere Einheit für die Wärmeleitfähigkeit, die in angelsächsischen Ländern verwendet wird, ist BTUH / (ft.ºF), wobei BTUH für British Thermal Unit pro Stunde steht.

Wärme fließt durch den Feststoff, wenn zwischen seinen Enden ein Temperaturunterschied besteht. Quelle: Wikimedia Commons.

Wärmeleitfähigkeitswerte

Nachfolgend sind die Wärmeleitfähigkeiten einiger Elemente und Materialien aufgeführt, die in der Natur vorkommen und in der Industrie häufig verwendet werden.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass sich synthetische Verbindungen noch in der experimentellen Phase befinden, deren Wärmeleitfähigkeit die von Diamant, der die Tabelle anführt, bei weitem übersteigt.

Die Temperatur ist entscheidend für den Wert der Wärmeleitfähigkeit von Metallen. Mit steigender Temperatur steigt auch die Wärmeleitfähigkeit (obwohl die elektrische Leitfähigkeit abnimmt). Bei Nichtmetallen ist die Wärmeleitfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich in etwa konstant.

Die Werte in der Tabelle sind bei 25 ° C und 1 Atmosphärendruck angegeben.

Bei der Auswahl eines Materials aufgrund seiner thermischen Eigenschaften muss berücksichtigt werden, dass es sich mit Wärme ausdehnt. Diese Kapazität ergibt sich aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Hauptwärmeleiter

Diamant

Diamant ist der beste Wärmeleiter in der Natur. Quelle: Robert Lavinsky über Wikimedia Commons.

Es ist der beste Wärmeleiter bei Raumtemperatur, viel besser als Kupfer und jedes andere Metall. In Diamant, einem elektrischen Isolator, fließt Wärme nicht durch Leitungselektronen, sondern durch die Ausbreitung von Schwingungen in seiner hochorganisierten Kristallstruktur. Diese Schwingungen werden Phononen genannt.

Es hat auch einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass seine Abmessungen beim Erhitzen nahe an den ursprünglichen bleiben. Wenn ein guter Wärmeleiter benötigt wird, der keinen Strom leitet, ist Diamant die beste Option.

Infolgedessen wird es häufig verwendet, um die Wärme zu entfernen, die von Schaltkreisen in Computern und anderen elektronischen Geräten erzeugt wird. Aber es hat einen großen Nachteil: Es ist extrem teuer. Obwohl es synthetische Diamanten gibt, sind sie nicht einfach herzustellen und auch teuer.

Silber

Silbermünzen

Aufgrund seines Glanzes, seiner Farbe und seiner Formbarkeit ist es ein sehr geschätztes Metall für die Verzierung. Es ist oxidationsbeständig und unter allen Metallen dasjenige mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit sowie der ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit.

Aus diesem Grund hat es mehrere Anwendungen in der Industrie, sowohl allein als auch in Legierungen mit anderen Elementen wie Nickel und Palladium.

Mit reinem Silber werden gedruckte Schaltungen hergestellt, supraleitende Hochtemperaturkabel hergestellt und Leiter, die in der Elektronik verwendet werden, beschichtet und zusätzlich in Legierungen verwendet, um elektrische Kontakte herzustellen.

Es hat den Nachteil, dass es relativ selten und daher teuer ist, aber die einzigartige Kombination physikalischer Eigenschaften für diese Anwendungen macht es zu einer hervorragenden Alternative, da es sehr flexibel ist und damit Leiter guter Länge erhalten werden.

Kupfer

Kupferkabel

Es ist eines der am häufigsten verwendeten Metalle, wenn eine gute Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, da es nicht leicht korrodiert und sein Schmelzpunkt ziemlich hoch ist, was bedeutet, dass es bei Hitzeeinwirkung nicht leicht schmilzt.

Weitere Vorteile sind die Duktilität und die Tatsache, dass sie nicht magnetisch sind. Kupfer ist recycelbar und viel billiger als Silber. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist jedoch hoch, was bedeutet, dass sich seine Abmessungen beim Erhitzen merklich ändern.

Aufgrund seiner guten thermischen Eigenschaften wird es häufig in Küchenutensilien verwendet, beispielsweise in mit Stahl bedeckten Kupfertöpfen. Auch zur Herstellung von Wärmetauschern in Warmwasserspeichern, in Zentralheizungssystemen, Autokühlern und zur Wärmeableitung in elektronischen Geräten.

Gold

Prähispanische Goldmaske

Es ist das Edelmetall schlechthin und nimmt in der Geschichte der Menschheit einen überwiegenden Platz ein. Abgesehen von dieser besonderen Bedeutung ist Gold formbar, widerstandsfähig und ein ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter.

Da Gold nicht korrodiert, wird es verwendet, um kleine Ströme in elektronischen Festkörperkomponenten zu führen. Diese Ströme sind so gering, dass sie beim geringsten Anzeichen von Korrosion leicht unterbrochen werden können, weshalb Gold zuverlässige elektronische Komponenten garantiert.

Es wird auch zur Herstellung von Kopfhöreranschlüssen, Kontakten, Relais und Patchkabeln verwendet. Geräte wie Smartphones, Taschenrechner, Laptops und Desktops sowie Fernseher enthalten geringe Mengen Gold.

Die speziellen Gläser für Klimaräume enthalten auch dispergiertes Gold, so dass sie dazu beitragen, die Sonnenstrahlung nach außen zu reflektieren und die Frische im Inneren zu erhalten, wenn es sehr heiß ist. Ebenso tragen sie dazu bei, die innere Wärme im Gebäude im Winter aufrechtzuerhalten.

Lithium

Litium-Ionen-Batterie. Autor: Herr ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * Fototag, August 2005 * Fotograf Person Aney. Quelle: Wikimedia Commons.

Es ist das leichteste aller Metalle, obwohl es sehr reaktiv ist, so dass es leicht korrodiert. Sie müssen auch mit großer Vorsicht damit umgehen, da es leicht entflammbar ist. Aus diesem Grund wird es, obwohl es reichlich vorhanden ist, nicht in einem freien Zustand gefunden, sondern in Verbindungen, für die es im Allgemeinen durch elektrolytische Verfahren isoliert werden muss.

Seine Wärmeleitfähigkeit ähnelt der von Gold, ist jedoch viel billiger. Lithiumcarbonat ist eine Verbindung, die bei der Herstellung von hitzebeständigem Glas und Keramik verwendet wird.

Eine weitere weit verbreitete Verwendung von Lithium ist die Herstellung langlebiger, leichter Batterien, für die Lithiumchlorid zur Extraktion von metallischem Lithium verwendet wird. Bei der Verarbeitung von Aluminium wird die elektrische Leitfähigkeit erhöht und die Betriebstemperatur gesenkt.

Aluminium

Aluminium Metall Eimer. Quelle: Carsten Niehaus

Dieses leichte, kostengünstige, hochbeständige und leicht zu bearbeitende Metall ist eines der Hauptmaterialien für die Herstellung von Wärmetauschern in Klimaanlagen wie Klimaanlagen und Heizgeräten.

Sowohl im Inland als auch in der Industrie werden Aluminiumutensilien in Küchen auf der ganzen Welt in großem Umfang verwendet.

Aluminiumutensilien wie Töpfe, Pfannen und Backbleche sind äußerst effizient. Sie verändern den Geschmack von Lebensmitteln nicht und lassen die Wärme beim Kochen schnell und gleichmäßig verteilen.

Unabhängig davon wurden Aluminiumtöpfe und -pfannen durch Edelstahl ersetzt, der kein so guter Wärmeleiter ist. Dies liegt daran, dass Edelstahl nicht mit stärkeren Säuren wie beispielsweise Tomatensauce reagiert.

Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, Tomatensaucen in Stahlutensilien herzustellen, um zu verhindern, dass Aluminium in die Lebensmittel gelangt, da einige Aluminium - in Antazida, Talkum, Deodorants und vielen anderen Produkten enthalten - mit dem Auftreten degenerativer Erkrankungen in Verbindung bringen. Obwohl die meisten Experten sowie die FDA diese Hypothese ablehnen.

Aluminiumtopf im Vordergrund. Quelle: Pixabay.

Kochgeschirr aus eloxiertem Aluminium birgt nicht das Risiko der Freisetzung von Aluminiumpartikeln und kann grundsätzlich sicherer verwendet werden.

Bronze

Die Bronze dieser alten Glocken zeigt die Nützlichkeit von Metallen für dekorative oder religiöse Zwecke. Quelle: Pxhere.

Bronze ist hauptsächlich eine Legierung aus Kupfer und Zinn, in geringerem Maße andere Metalle. Es ist seit der Antike in der Geschichte der Menschheit präsent.

Es ist so wichtig, dass eine Zeit der Vorgeschichte sogar als Bronzezeit bezeichnet wurde, als die Menschen die Eigenschaften dieser Legierung entdeckten und zu nutzen begannen.

Bronze ist korrosionsbeständig und leicht zu verarbeiten. Ursprünglich wurden damit verschiedene Utensilien, Werkzeuge, Schmuck, Kunstgegenstände (z. B. Skulpturen) und Waffen hergestellt sowie Münzen geprägt. Noch heute werden hier Pfeifen, mechanische Teile und Musikinstrumente hergestellt.

Zink

Uhrglas mit Zinkoxid. Quelle: Adam Rędzikowski

Es ist ein sehr formbares und duktiles bläulich-weißes Metall, das leicht zu verarbeiten ist, obwohl es einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist. Es ist seit der Antike bekannt und wird hauptsächlich in Legierungen verwendet.

Es wird derzeit zum Verzinken von Stahl und damit zum Schutz vor Korrosion verwendet. Auch zur Herstellung von Batterien, Pigmenten und zur Herstellung spezieller Zinkbleche für die Bauindustrie.

Eisen

Eisenspäne auf einem Magneten. Quelle: Aney über Commons Wikimedia.

Eisen ist ein weiteres Metall von großer historischer Bedeutung. Eisen ist wie Bronze mit einer Phase der Vorgeschichte verbunden, in der große technologische Fortschritte erzielt wurden: der Eisenzeit.

Gusseisen hat auch heute noch viele Anwendungen zur Herstellung von Werkzeugen, Utensilien, im Bauwesen und als Material für die Herstellung von Automobilteilen.

Wie wir gesehen haben, ist Eisen ein sehr guter Wärmeleiter. Eisengegenstände verteilen die Wärme sehr gut und halten sie lange. Es hat auch einen hohen Schmelzpunkt, wodurch es gegen hohe Temperaturen beständig ist, weshalb es bei der Herstellung aller Arten von Öfen, sowohl in der Industrie als auch im Haushalt, nützlich ist.

Verweise

1. CK-12. Wärmeleiter und Isolatoren. Wiederhergestellt von: ck12.org.
2. Kupfer: Eigenschaften und Anwendungen. Wiederhergestellt von: kupferalliance.org.
3. Effunda. Eigenschaften von allgemeinen festen Materialien. Von efunda.com wiederhergestellt
4. Hill, D. Thermische Eigenschaften von Gusseisen. Wiederhergestellt von: ehow.com.
5. König, H. Die vielen Verwendungen von Gold. Wiederhergestellt von: geology.com.
6. Lithium. Wiederhergestellt von: gob.mx.
7. Re-kreative Physik. Wärmeübertragung. Wiederhergestellt von: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Liste der Wärmeleitfähigkeiten. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.