9 WARMTEGELEIDERS EN HUN KENMERKEN - WETENSCHAP - 2026

De warmtegeleiders zijn materialen waarvan de structuur zodanig is dat warmte er gemakkelijk doorheen kan. Er moet aan worden herinnerd dat alle materie is samengesteld uit atomen en moleculen in constante trillingsbeweging, en dat de warmte zich vertaalt in een grotere beweging van deze deeltjes.

Sommige materialen geleiden warmte beter dan andere, omdat hun interne configuratie deze energiestroom vergemakkelijkt. Hout is bijvoorbeeld geen goede warmtegeleider omdat het lang duurt om op te warmen. Maar aan de andere kant zijn ijzer, koper en andere metalen dat wel, wat betekent dat hun deeltjes heel snel kinetische energie verwerven.

Thermisch vet dat in computerchips wordt gebruikt, is een goede warmtegeleider, maar geen elektriciteit. Bron: Wikimedia Commons.

Daarom zijn metalen favoriet bij het maken van keukengerei, zoals potten en pannen. Ze worden snel warm en bereiken temperaturen die hoog genoeg zijn om voedsel goed te laten koken.

Handgrepen en handgrepen die in contact komen met de handen van de gebruiker, zijn echter gemaakt van andere warmte-isolerende materialen. Op deze manier zijn de pannen gemakkelijk te hanteren, zelfs als ze warm zijn.

Soorten geleiders

Afhankelijk van de manier waarop ze warmte geleiden, worden materialen ingedeeld in:

- Warmtegeleiders : diamant en metalen zoals koper, ijzer, zink en aluminium, onder anderen. Gewoonlijk zijn goede geleiders van elektriciteit ook goede warmtegeleiders.

- Thermische isolatoren : hout, rubber, glasvezel, plastic, papier, wol, anime, kurk, polymeren zijn goede voorbeelden. Gassen zijn ook geen goede geleiders.

Thermische geleidbaarheid van materialen

De eigenschap die intrinsiek de manier kenmerkt waarop elk van hen warmte geleidt, wordt thermische geleidbaarheid genoemd. Hoe hoger de thermische geleidbaarheid van een stof, hoe beter deze warmte geleidt.

De thermische geleidbaarheid van stoffen wordt experimenteel bepaald. In het SI International System of Units wordt thermische geleidbaarheid gemeten in Watt / (meter x kelvin) of W / (mK). Het wordt als volgt geïnterpreteerd:

Een andere eenheid voor thermische geleidbaarheid die in Angelsaksische landen wordt gebruikt, is BTUH / (ft.ºF), waar BTUH staat voor British Thermal Unit per uur.

Warmte stroomt door de vaste stof als er een temperatuurverschil is tussen de uiteinden. Bron: Wikimedia Commons.

Warmtegeleidingswaarden

Hieronder staan ​​de thermische geleidbaarheden van enkele elementen en materialen die in de natuur voorkomen en die vaak in de industrie worden gebruikt.

Er moet echter worden opgemerkt dat er synthetische verbindingen zijn, die zich nog in de experimentele fase bevinden, waarvan de thermische geleidbaarheid veel groter is dan die van diamant, die bovenaan de tafel staat.

De temperatuur is bepalend voor de waarde van de thermische geleidbaarheid van metalen. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt ook de thermische geleidbaarheid toe (hoewel de elektrische geleidbaarheid afneemt). Voor niet-metalen is de thermische geleidbaarheid ongeveer constant over een breed temperatuurbereik.

De waarden in de tabel zijn gespecificeerd bij 25ºC en 1 atmosfeer druk.

Bij het selecteren van een materiaal vanwege zijn thermische eigenschappen, moet er rekening mee worden gehouden dat het uitzet bij warmte. Deze capaciteit wordt bepaald door de thermische uitzettingscoëfficiënt.

Belangrijkste warmtegeleiders

Diamant

Diamant is de beste thermische geleider in de natuur. Bron: Robert Lavinsky via Wikimedia Commons.

Het is de beste thermische geleider bij kamertemperatuur, veel beter dan koper en elk ander metaal. Bij diamant, dat een elektrische isolator is, stroomt warmte niet door geleidingselektronen maar door de voortplanting van trillingen in zijn zeer georganiseerde kristallijne structuur. Deze trillingen worden fononen genoemd.

Het heeft ook een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat betekent dat de afmetingen bij verhitting dicht bij de oorspronkelijke blijven. Wanneer een goede warmtegeleider vereist is die geen elektriciteit geleidt, is diamant de beste optie.

Als gevolg hiervan wordt het veel gebruikt om de warmte af te voeren die wordt geproduceerd door circuits in computers en andere elektronische apparaten. Maar het heeft een groot nadeel: het is extreem duur. Hoewel er synthetische diamanten zijn, zijn ze niet gemakkelijk te maken en ze zijn ook duur.

Zilver

Zilveren munten

Het is een zeer gewaardeerd metaal voor versiering vanwege zijn glans, kleur en kneedbaarheid. Het is bestand tegen oxidatie en van alle metalen is het degene met de hoogste thermische geleidbaarheid, evenals een uitstekende elektrische geleidbaarheid.

Om deze reden heeft het meerdere toepassingen in de industrie, zowel alleen als in legeringen met andere elementen zoals nikkel en palladium.

Met puur zilver, gedrukte schakelingen, worden supergeleidende kabels voor hoge temperaturen gemaakt en worden geleiders die in elektronica worden gebruikt, gecoat, naast het feit dat ze in legeringen worden gebruikt om elektrische contacten te maken.

Het heeft als nadeel dat het relatief schaars en dus duur is, maar de unieke combinatie van fysische eigenschappen voor deze toepassingen maakt het een uitstekend alternatief, aangezien het zeer flexibel is en daarmee geleiders van goede lengte worden verkregen.

Koper

Koperdraden

Het is een van de meest gebruikte metalen wanneer een goede thermische geleidbaarheid vereist is, omdat het niet gemakkelijk corrodeert en het smeltpunt vrij hoog is, wat betekent dat het niet gemakkelijk zal smelten bij blootstelling aan hitte.

Andere voordelen die het heeft, is zijn ductiliteit, naast het feit dat het niet magnetisch is. Koper is recyclebaar en is veel goedkoper dan zilver. De thermische uitzettingscoëfficiënt is echter hoog, wat betekent dat de afmetingen aanzienlijk veranderen bij verhitting.

Vanwege zijn goede thermische eigenschappen wordt het veel gebruikt in keukengerei, zoals bijvoorbeeld koperen pannen bedekt met staal. Ook voor het vervaardigen van warmtewisselaars in warmwatertanks, in centrale verwarmingssystemen, autoradiatoren en om warmte af te voeren in elektronische apparaten.

Goud

Prehispanic gouden masker

Het is het edelmetaal bij uitstek en neemt een overheersende plaats in de geschiedenis van de mensheid in. Afgezien van deze speciale betekenis is goud kneedbaar, resistent en een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit.

Omdat goud niet corrodeert, wordt het gebruikt om kleine stromen in elektronische componenten in vaste toestand te geleiden. Deze stromen zijn zo klein dat ze bij het minste teken van corrosie gemakkelijk kunnen worden onderbroken. Daarom garandeert goud betrouwbare elektronische componenten.

Het wordt ook gebruikt om koptelefoonaansluitingen, contacten, relais en in patchkabels te vervaardigen. Apparaten zoals smartphones, rekenmachines, laptops en desktops en televisies bevatten kleine hoeveelheden goud.

De speciale glazen voor airconditioningruimtes bevatten ook verspreid goud, op zo'n manier dat ze helpen om de straling van de zon naar buiten te reflecteren en de frisheid binnen te houden als het erg heet is. Op dezelfde manier helpen ze om de interne warmte in het gebouw te behouden als het winter is.

Lithium

Lithium ion batterij. Auteur: Mr. ち ゅ ら さ ​​ん. Lithium_Battery * fotografiedag, augustus 2005 * fotograaf Aney. Bron: Wikimedia Commons.

Het is het lichtste van alle metalen, hoewel het zeer reactief is, zodat het gemakkelijk corrodeert. Je moet er ook met grote voorzichtigheid mee omgaan, omdat het licht ontvlambaar is. Hierdoor wordt het, hoewel het overvloedig voorkomt, niet in de vrije toestand maar in verbindingen aangetroffen, en daarom moet het in het algemeen worden geïsoleerd door middel van elektrolytische methoden.

De thermische geleidbaarheid is vergelijkbaar met die van goud, maar het is veel goedkoper dan dit. Lithiumcarbonaat is een verbinding die wordt gebruikt bij de vervaardiging van hittebestendig glas en keramiek.

Een ander wijdverbreid gebruik van lithium is de vervaardiging van duurzame, lichtgewicht batterijen, waarvoor lithiumchloride wordt gebruikt om metallisch lithium te extraheren. Toegevoegd bij de verwerking van aluminium, verhoogt het de elektrische geleidbaarheid en verlaagt het de bedrijfstemperaturen.

Aluminium

Aluminium metalen emmer. Bron: Carsten Niehaus

Dit lichtgewicht, goedkope, zeer resistente en gemakkelijk te bewerken metaal is een van de belangrijkste materialen die worden gebruikt om warmtewisselaars te maken in airconditioningapparatuur, zoals airconditioners en kachels.

Zowel in het binnenland als in de industrie worden aluminium gebruiksvoorwerpen op grote schaal gebruikt in keukens over de hele wereld.

Aluminium gebruiksvoorwerpen zoals potten, pannen en bakplaten zijn buitengewoon efficiënt. Ze veranderen de smaak van voedsel niet en laten de warmte zich tijdens het koken snel en gelijkmatig verspreiden.

Hoe dan ook, aluminium potten en pannen zijn verdrongen door roestvrij staal, dat een minder goede warmtegeleider is. Dit komt doordat RVS niet reageert met sterkere zuren, zoals bijvoorbeeld tomatensaus.

Daarom verdient het de voorkeur om tomatensauzen te maken in stalen keukengerei om te voorkomen dat aluminium het voedsel binnendringt, aangezien sommige aluminium - aanwezig in maagzuurremmers, talkpoeder, deodorants en vele andere producten - hebben geassocieerd met het verschijnen van degeneratieve ziekten, hoewel de meeste experts, evenals de FDA, deze hypothese verwerpen.

Aluminium steelpan op de voorgrond. Bron: Pixabay.

Kookgerei gemaakt van geanodiseerd aluminium heeft geen risico op het vrijkomen van aluminiumdeeltjes en kan in principe veiliger worden gebruikt.

Bronzen

Het brons van deze oude klokken toont het nut van metalen aan voor decoratieve of religieuze doeleinden. Bron: Pxhere.

Brons is voornamelijk een legering van koper en tin, met andere metalen in mindere mate. Het is sinds de oudheid aanwezig in de geschiedenis van de mensheid.

Het is zo belangrijk dat een periode uit de prehistorie zelfs de bronstijd wordt genoemd, de tijd waarin mensen de eigenschappen van deze legering ontdekten en begonnen te gebruiken.

Brons is corrosiebestendig en gemakkelijk te bewerken. Aanvankelijk werd het gebruikt om verschillende gebruiksvoorwerpen, gereedschappen, sieraden, kunstvoorwerpen (bijvoorbeeld sculpturen) en wapens te maken, en om munten te slaan. Tegenwoordig worden er nog steeds pijpen, mechanische onderdelen en muziekinstrumenten van gemaakt.

Zink

Horlogeglas met zinkoxide. Bron: Adam Rędzikowski

Het is een zeer kneedbaar en taai blauwachtig wit metaal, gemakkelijk om mee te werken, hoewel met een laag smeltpunt. Het is al sinds de oudheid bekend, voornamelijk gebruikt in legeringen.

Het wordt momenteel gebruikt om staal te verzinken en zo te beschermen tegen corrosie. Ook voor het vervaardigen van batterijen, pigmenten en het vervaardigen van speciale zinkplaten voor de bouwsector.

Ijzer

IJzervijlsel op een magneet. Bron: Aney via Commons Wikimedia.

IJzer is een ander metaal met een grote historische betekenis. Net als brons is ijzer verbonden met een fase in de prehistorie waarin grote technologische vooruitgang plaatsvond: de ijzertijd.

Tegenwoordig heeft gietijzer nog steeds veel toepassingen voor het maken van gereedschappen, gebruiksvoorwerpen, in de bouw en als materiaal voor de fabricage van auto-onderdelen.

IJzer is een zeer goede warmtegeleider, zoals we hebben gezien. IJzeren voorwerpen verdelen de warmte zeer goed en houden deze lang vast. Het heeft ook een hoog smeltpunt, waardoor het bestand is tegen hoge temperaturen, vandaar zijn bruikbaarheid bij de vervaardiging van alle soorten ovens, zowel industrieel als huishoudelijk.

Referenties

1. CK-12. Thermische geleiders en isolatoren. Hersteld van: ck12.org.
2. Koper: eigenschappen en toepassingen. Hersteld van: copperalliance.org.
3. Effunda. Eigenschappen van gewone vaste materialen. Opgehaald van efunda.com
4. Hill, D. Thermische eigenschappen van gietijzer. Hersteld van: ehow.com.
5. King, H. De vele toepassingen van goud. Hersteld van: geology.com.
6. Lithium. Hersteld van: gob.mx.
7. Hercreatieve fysica. Warmteoverdracht. Hersteld van: fisicarecreativa.com.
8. Wikipedia. Lijst met thermische geleidbaarheden. Hersteld van: es.wikipedia.org.