بهترین فلزات برای انتقال حرارت، رسانای حرارتی بالایی دارند و برای کاربردهای بسیاری مانند ظروف پخت و پز، مبدل های حرارتی و سینک های حرارتی مفید هستند.
از سوی دیگر، فلزات با نرخ انتقال حرارت پایین تر در مواردی نیز مفید هستند که می توانند به عنوان یک سپر حرارتی در کاربردهایی که مقادیر زیادی گرما تولید می کنند، مانند موتور های هواپیما، عمل کنند. این صفحه به بررسی بهترین فلزات برای انتقال حرارت می پردازد .
فلز ماده ای است که توانایی جلا دادن، رسانایی الکتریسیته، گرما و چکش خواری را داراست.
در تعریف فیزیکی، فلز به ماده ای گفته می شود که توانایی هدایت جریان الکتریکی در دمای صفر مطلق (حدود ۲۷۳- درجه) را دارد.
فلزات انواع خاصی از مواد هستند که درخشندگی فلزی دارند و معمولاً قوی هستند.
از ۱۱۸ عنصر جدول تناوبی، ۹۵ عنصر به عنوان عناصر فلزی شناخته می شوند و در مورد تعداد آنها اختلاف نظرهای زیادی وجود دارد.
تقریباً ۲۵ درصد از پوسته زمین از فلزات تشکیل شده است. رسانایی حرارتی اصطلاحی است که یک ماده با چه سرعتی گرما را از مناطق با دمای بالاتر جذب کرده و آن را به مناطق با دمای پایین تر منتقل می کند.
کدام فلزات رسانای الکتریسیته هستند؟
اگرچه بسیاری از فلزات می توانند رسانای الکتریسیته باشند، اما برخی فلزات به دلیل رسانایی بسیار بالا، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.
رایج ترین مثال مس است. دلیل استفاده از مس در سیم های برق از زمان تلگراف به دلیل رسانایی الکتریکی بالای آن است.
اگرچه برنج حاوی مس است، اما برای مصارف الکتریکی مناسب نیست زیرا از عناصری با رسانایی الکتریکی کمتر از مس تشکیل شده است.
شاید تعجب کنید که بدانید مس، علیرغم استفاده از آن در بسیاری از کاربردهای رایج، رسانا ترین فلز نیست.
تصور اشتباه دیگر این است که طلای خالص از بهترین فلزات برای انتقال حرارت است.
اگرچه طلا رسانایی بسیار بالایی دارد، اما باز هم رسانایی آن کمتر از مس است.
بهترین فلز ها برای انتقال گرما کدامند ؟
پاسخ، نقره خالص است. اما معمولاً زمانی استفاده می شود که رسانایی الکتریکی فوق العاده در محیطی کاملا خلاء و ایزوله باشد.
زیرا مشکل نقره این است که سطح آن به تدریج اکسید می شود.این همچنین می تواند در کاربردهایی که سطح تماس (مانند جریان های فرکانس بالا یا جریان های DC) مهم است، مشکل ساز باشد. نقره نیز گرانتر از مس است و رسانایی کمی بالاتر از مس دارد، بنابراین ارزش قیمت بالای آن را برای جایگزینی عمومی ندارد.
اما شاید تعجب می کنید که چرا از طلا در ساخت پردازنده های کامپیوتری مانند CPU استفاده می شود. پاسخ دقیقاً همین اکسیداسیون است.
بد نیست بدانید که هم مس و هم نقره به مرور زمان سطح خود را اکسید می کنند و این اکسیداسیون روند سرعت پردازشگر ها را کند می کند. به همین دلیل، ماده اصلی پردازنده ها از نقره (گاهی اوقات تماماً طلا) ساخته می شود، اما معمولاً آن ها را با طلا روکش می کنند، تا هم رسانایی الکتریکی بالا وجود داشته باشد و هم نقره در برابر اکسید شدن محافظت شود.
در اینجا ترتیب رسانایی فلز ها در انتقال گرما و آلیاژهای فلزی از کمترین تا بالاترین میانگین رسانایی حرارتی، بر حسب وات /متر-K در دمای اتاق آمده است:
- فولاد (۱۶)
- سرب (۳۵)
- فولاد کربن (۵۱)
- آهن فرفورژه (۵۹)
- آهن (۷۳)
- آلومینیوم برنز (۷۶)
- برنج مسی (۱۱۱)
- آلومینیوم (۲۳۷)
- مس (۴۰۱)
- نقره (۴۲۹)
در میان فلزات رایج، مس و آلومینیوم دارای بالاترین رسانایی حرارتی هستند. در حالی که فولاد و برنز کمترین و برنج در رده های میانی قرار دارند.
زمانی که می خواهیم بهترین فلزات برای انتقال حرارت را برای کاربرد خاصی انتخاب کنیم، توجه به رسانایی حرارتی فلز یکی از مهم ترین عوامل موثر در انتقال حرارت فلزات است که در تصمیم گیری باید به آن توجه کنیم. از آنجایی که مس یک رسانای عالی گرما است.
برای مبدل های حرارتی، سینک های حرارتی و حتی کف قابلمه ها انتخاب بسیار مناسبی است. از سوی دیگر، از آنجایی که فولاد رسانای ضعیفی برای گرما است، برای محیط های با دمای بالا مانند موتور هواپیما مناسب تر است.
اهمیت انتقال حرارت در مبدل های حرارتی
مبدل حرارتی یک کاربرد بسیار محبوب برای فلزات است که در آن بحث هدایت حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است.
اساس کار مبدل های حرارتی انتقال حرارت برای گرمایش یا سرمایش است. صفحات مسی یک انتخاب محبوب برای تامین انرژی مبدل های حرارتی در تاسیسات صنعتی مانند تهویه مطبوع، یخچال، مخازن آب گرم و سیستم های گرمایش از کف هستند.
رسانایی حرارتی بالای این فلز به سرعت گرما را همراه با قابلیت های دیگری مانند مقاومت در برابر خوردگی، رسوب زیستی، فشرده سازی و انبساط حرارتی منتقل می کند. ورق آلومینیومی همچنین می تواند به عنوان یک جایگزین مقرون به صرفه برای مس و بهترین فلزات برای انتقال حرارت در مبدل های حرارتی استفاده شود.
تاسیسات صنعتی
مبدل های حرارتی در تاسیسات صنعتی شامل نیروگاه های فسیلی و هسته ای، نیروگاه های شیمیایی، نیروگاه های نمک زدایی و خدمات دریایی می باشد.
از آلیاژهای مس نیکل در کارخانه های صنعتی برای ساخت لوله های مبدل حرارتی استفاده می شود.
این آلیاژ مقاومت در برابر خوردگی بالایی دارد که در مواجهه با آب نمک از لوله در برابر خوردگی محافظت می کند.
همچنین مقاومت قابل قبولی در برابر رسوبات بیولوژیکی، خزه های دریایی و تشکیل جلبک از خود نشان می دهد.
آلیاژ های آلومینیوم مس خواص مشابهی دارند و می توان از آنها به عنوان فلز جایگزین استفاده کرد.
سیستم گرمایش آب با انرژی خورشیدی
آبگرمکن های خورشیدی روشی مقرون به صرفه برای گرم کردن آب هستند.
این سیستم ها از یک لوله مسی برای انتقال انرژی گرمایی خورشید به آب استفاده می کنند.
زیرا این فلز از بهترین فلزات برای انتقال حرارت بوده که دارای رسانایی حرارتی بالا، مقاومت خوب در برابر خوردگی هوا و آب و استحکام مکانیکی قابل قبولی است.
آبگرمکن گازی
مبدل های حرارتی گازی گرمای تولید شده از سوخت های گازی را به آب منتقل می کنند. از این مبدل ها در بویلر های مسکونی و تجاری استفاده می شود.
در آبگرمکن های گازی به دلیل رسانایی حرارتی بالا و سهولت در ساخت، استفاده از فلز مس ترجیح داده می شود.
گرمایش و سرمایش هوای اجباری
پمپ های حرارتی با جریان هوای اجباری از دیرباز برای گرم کردن محیط های مسکونی و تجاری استفاده می شده است.
اساس این پمپ ها تبادل حرارت هوا به هوا از طریق واحدهای اپراتور می باشد و قابل استفاده در اجاق های چوبی، دیگ ها و اجاق ها می باشد. باز هم فلز مس به دلیل رسانایی حرارتی بالا یکی از بهترین فلزات برای انتقال حرارت در این کاربرد است.
اهمیت رسانایی حرارتی در هیت سینک
سینک های حرارتی، مبدل های حرارتی هستند که گرمای تولید شده توسط یک دستگاه الکترونیکی یا مکانیکی را به یک خنک کننده متحرک منتقل می کنند.
مایع گرما را از دستگاه دفع و به خنک شدن آن کمک می کند. در این کاربرد از بهترین فلزات برای انتقال حرارت استفاده می شود.
در کامپیوترها از هیت سینک برای خنک کردن CPU یا پردازنده های گرافیکی استفاده می شود.
سینک های حرارتی همچنین در دستگاه های پرقدرت مانند ترانزیستور های قدرت، لیزر ها و دیود های ساطع نور (LED) استفاده می شوند.
هدف از طراحی هیت سینک به حداکثر رساندن سطح تماس با مایع خنک کننده است. از آنجایی که آلومینیوم نسبت به مس ارزان تر است، آلیاژ آلومینیوم رایج ترین ماده برای ساخت سینک های حرارتی است.
با این حال، زمانی که سطوح بالاتری از هدایت حرارتی مورد نیاز است، از فلز مس استفاده می شود. برخی از هیت سینک ها از ترکیب پره های مسی با پایه مسی استفاده می کنند.
اهمیت رسانایی حرارتی در لوازم پخت و پز
مهمترین مصارف خانگی فلزات با رسانایی حرارتی خوب در ظروف پخت و پز است.
وقتی غذا را روی اجاق می گذاریم تا گرم شود، انتظار داریم خیلی زود داغ شود.
به همین دلیل است که فلز مس بسیار رایج در کف ظروف پخت و پز استفاده می شود.
زیرا این فلز از بهترین فلزات برای انتقال حرارت بوده و گرما را به سرعت هدایت می کند و آن را به طور یکنواخت روی سطح پخش می کند.
اما اگر نمی خواهید هزینه زیادی صرف کنید، می توانید از ظروف آلومینیومی به عنوان جایگزین مناسبی برای مس استفاده کنید. به خاطر داشته باشید که در این حالت ممکن است کمی بیشتر طول بکشد تا غذای شما گرم شود.
فولاد ضد زنگ
با یکی از پایین ترین هادی های حرارتی آلیاژهای فلزی، انتقال گرما از منبع فولاد ضد زنگ بسیار بیشتر از مس طول می کشد. این بدان معناست که یک قابلمه فولادی ضد زنگ نسبت به دیگ مسی زمان بیشتری برای گرم کردن غذا نیاز دارد (اگرچه فولاد ضد زنگ مزایای دیگری نیز دارد).
توربین های بخار و گاز در نیروگاه ها از فولاد ضد زنگ به دلیل مقاومت در برابر حرارت و سایر خواص آن استفاده می کنند. در معماری، روکش فولادی ضد زنگ می تواند در برابر دماهای بالا مقاومت بیشتری داشته باشد و ساختمان ها را در مقابل نور خورشید خنک نگه دارد.
بهترین فلزات برای انتقال حرارت
در حالی که آلومینیوم رسانایی حرارتی کمی کمتر از مس دارد، سبک تر، ارزان تر و کار کردن با آن آسان تر است.
برای بسیاری از کاربرد ها انتخاب بهتری است. به عنوان مثال، میکروالکترونیک ها مانند LED ها و دیود های لیزری از سینک های حرارتی کوچک با پره های آلومینیومی پراکنده در هوا استفاده می کنند.
گرمای تولید شده توسط الکترونیک از تراشه به آلومینیوم و سپس به هوا منتقل می شود، یا به صورت غیرفعال یا با همرفت جریان هوای اجباری یا خنک کننده ترموالکتریک.
مس
مس رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد و نسبت به نقره بسیار ارزان تر و مقرون به صرفه تر و از بهترین فلزات برای انتقال حرارت است. مس در برابر خوردگی و رسوب زیستی مقاوم است که آن را به ماده ای مناسب برای آبگرمکن های خورشیدی، آبگرمکن های گازی، مبدل های حرارتی صنعتی، یخچال ها، تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی تبدیل می کند.
چیدمان فلزات بر اساس هدایت الکتریکی
میزان رسانایی بر حسب رسانایی مس بیان می شود. نرخ ۱۰۰% نشان دهنده مقاومت صفر است. بسته به نوع فلز، تفاوت در هدایت الکتریکی بسیار متفاوت است. بنابراین، بسیار مهم است که مواد را هادی فرض نکنیم و سعی کنیم تا حد امکان در انتخاب بهترین فلزات برای انتقال حرارت تحقیق کنیم.
کاربرد مس چیست؟
مس یک هادی الکتریکی عالی است و معمولاً برای مقاصد الکتریکی استفاده می شود. رایج ترین کاربردهای مس بر اساس یک یا چند ویژگی مفید آن است، مانند هدایت حرارتی خوب یا خوردگی کم (در پاسخ به آب و اسید).
برخی از کاربردهای رایج مس
کابل های انتقال برق شهری و بین شهری
حتما تاکنون تیرهای برق را دیده‌اید. تیر هایی که معمولاً ۴ یا ۶ رشته سیم را از خود عبور می دهند.
اما جنس این سیم های برق چیست؟
در تولید سیم های انتقال برق شهری معمولا از سیم سیاه که سیم فولادی است به عنوان هسته و سیم مسی اطراف آن به عنوان هادی برق استفاده می شود.
از آنجایی که سیم های برق باید برای مدت بسیار طولانی روی تیرها بمانند، مس به مرور زمان خسته شده و می شکند، بنابراین در مرکز این سیم ها از سیم های فولادی استفاده می شود تا سیم را برای مدت طولانی محکم نگه دارد.
همین روش در کابل های انتقال برق در مسافت های طولانی یا دکل های برق فشار قوی استفاده می شود که تعداد دفعات پیچش سیم های فولادی، سیم هادی برق و قطر سیم بسیار بزرگ تر است.
البته در بسیاری از موارد به جای مس از مفتول آلومینیومی استفاده می شود که به دلیل فواصل زیاد طول سیم مورد استفاده بسیار زیاد بوده و هزینه تولید مفتول مسی در این مورد غیر اقتصادی است.
به همین دلیل از سیم های آلومینیومی استفاده می شود.
سایر عوامل مؤثر بر انتقال حرارت در فلزها
هنگام در نظر گرفتن بهترین فلزات برای انتقال حرارت ، علاوه بر هدایت حرارتی، عوامل دیگری نیز وجود دارند که بر سرعت جریان گرما تأثیر می گذارند. به عنوان مثال، دمای اولیه یک فلز می تواند تفاوت زیادی در سرعت انتقال حرارت ایجاد کند.
در دمای اتاق، آهن رسانایی حرارتی ۷۳ دارد، اما در ۱۸۳۲ درجه فارنهایت، رسانایی آهن به ۳۵ کاهش می یابد. تأثیرات دیگر شامل تفاوت دما در فلز، ضخامت فلز و مساحت سطح فلز است.
به طور کلی مواد معدنی موجود در طبیعت به دو دسته فلزات آهنی و فلزات غیرآهنی یا فلزات رنگین طبقه بندی می شوند.
آهن و انواع آلیاژها و ترکیبات آن از چدن و سایر فلزات آهنی محسوب می شوند. گروه های بسیار مهمی مانند آلومینیوم، مس، قلع، سرب، روی، طلا، نقره، پلاتین، منگنز و آلیاژهای مربوط به آنها مانند برنج و برنز در این دسته قرار می گیرند.
رسانایی حرارتی یک فلز به قدرت توانایی آن در هدایت گرما اشاره دارد.
این ویژگی در انواع فلزات متفاوت است و در کاربردهایی که دمای عملیاتی بالا رایج می باشد بسیار مهم است. در برخی از فلزات خالص، هدایت حرارتی با افزایش دما ثابت می ماند.
اما در آلیاژها با افزایش دما، هدایت حرارتی نیز افزایش می یابد. در این مقاله سعی کردیم بهترین فلزات برای انتقال حرارت را به شما معرفی کنیم امیدواریم مفید بوده باشد.
