Los metales son una clase de sustancias que se sabe que son altamente dúctiles y maleables. Alrededor de las tres cuartas partes de todos los elementos químicos descubiertos son metales. El aluminio, el sodio, el calcio, el hierro, el potasio y el magnesio se encuentran en abundancia en la corteza terrestre.
La mayoría de los metales se encuentran en los minerales. Pero los metales como la plata, el platino, el oro y el cobre están disponibles en estado libre. Esto se debe a que estos elementos no reaccionan fácilmente con otros elementos químicos.
En este artículo, abordaremos todas las preguntas relacionadas con la conducción térmica de un metal.
Entonces, ¿el metal conduce el calor? Sí. Los metales conducen el calor. De hecho, son conocidos como excelentes conductores del calor. Esto se debe a que los electrones presentes dentro de la estructura metálica se mueven libremente. Estos electrones facilitan el transporte de calor de un extremo al otro.
La mayoría de los metales tienen la misma densidad de electrones. Entonces, el factor que decide qué tan bien conducirá el calor el metal es la facilidad con la que los electrones pueden moverse.
En metales puros como el cobre, los electrones superan cientos de átomos antes de chocar con uno que provoca un cambio en su dirección.
Mientras que en las aleaciones, los electrones pasan a través de unos pocos átomos antes de chocar con uno y cambiar su dirección.
El contenido muestra ¿Por qué el metal conduce el calor? ¿Cómo se transfiere el calor a través de un metal? ¿Qué factores determinan la conductividad térmica de un material? Electrones libres Pureza del material Efecto de la formación de una estructura cristalina de alta densidad de temperatura ¿Qué factores determinan la tasa de conducción de calor? Gradiente de temperatura Sección transversal del material Longitud de la trayectoria Propiedades físicas del material ¿Los metales alcalinos conducen el calor? ¿Qué metal es el mejor conductor del calor? Preguntas frecuentes Conclusión
¿Por qué el metal conduce el calor?
La estructura del metal consta de cationes perfectamente alineados (iones positivos) y electrones deslocalizados.
Los electrones deslocalizados pueden transferir energía a un ritmo más rápido. Los electrones se mueven libremente y conducen el calor. La conducción térmica tiene lugar cuando se calienta un metal.
El calentamiento da como resultado que los electrones presentes dentro de la estructura metálica adquieran energía y vibren.
Estos electrones energizados chocan con los electrones vecinos y les transfieren su energía. Esta transferencia de energía continúa hasta que el calor se transfiere del extremo caliente al frío.
¿Cómo se transfiere el calor a través de un metal?
El calor se puede transferir de un lugar a otro a través de tres métodos diferentes: radiación, convección y conducción.
Cuando hay una diferencia de temperatura entre los dos sistemas, el calor se transferirá de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura hasta que se logre el equilibrio.
La conducción de calor es la transferencia de calor entre sustancias que están en contacto directo entre sí. Requiere materia como medio.
La conducción térmica a través de un metal ocurre cuando el metal se calienta. El calentamiento suministra energía externa al metal y hace que los electrones se muevan rápidamente y choquen con los electrones vecinos.
Esto da como resultado la transferencia térmica a través de un metal. Cuanto mejor sea el conductor, más rápido se transferirá el calor.
¿Qué factores determinan la conductividad térmica de un material?
Los factores que determinan la conductividad térmica del material son los siguientes:
electrones libres
Los materiales en estado sólido tienen más electrones libres que los materiales en estado líquido o gaseoso.
Los metales tienen el mayor número de electrones libres y una estructura de red cristalina muy compacta.
Pureza del material
Los materiales puros tienen mejor conductividad térmica que los aleados. Esto se debe a la aleación de metales que da como resultado la adición de impurezas dentro de la estructura metálica.
Esto provoca una disminución en su conductividad térmica. Por ejemplo, la conducción térmica del cobre puro es de 385 W/mK. Mientras que la del cobre aleado con arsénico es de 142 W/mK.
Efecto de la formación
La conductividad térmica del metal puede verse afectada negativamente si pasa por la forja, el doblado y el estirado en alambres delgados.
El tratamiento térmico también puede aprovechar la capacidad de un material para conducir el calor.
Alta temperatura
En los sólidos, a temperaturas extremadamente altas, aumenta la vibración de la red cristalina y disminuye el movimiento de electrones libres.
Por lo tanto, la conductividad térmica del metal se ve obstaculizada cuando las temperaturas aumentan enormemente.
En los gases, a altas temperaturas, aumenta la conductividad térmica. Esto se debe a que el calor específico y la velocidad media de desplazamiento de los gases aumentan a altas temperaturas.
En líquidos, a altas temperaturas, la conductividad térmica disminuye. Esto se debe a que la conductividad térmica de un líquido es directamente proporcional a su densidad.
La densidad de un líquido disminuye a altas temperaturas. Por lo tanto, su conductividad térmica también disminuye.
Densidad
La conductividad térmica de un material es directamente proporcional a su densidad. Un aumento en la densidad provocará un aumento en la conductividad térmica del material.
Estructura cristalina
Los materiales que tienen una estructura cristalina regular conducen mejor el calor que los materiales en su forma amorfa.
¿Qué factores determinan la velocidad de conducción del calor?
La tasa de conducción de calor depende de cuatro factores:
Gradiente de temperatura
Un gradiente de temperatura decide la dirección y la velocidad de los cambios de temperatura dentro de un sistema. Es una cantidad física.
Cuando la diferencia de temperatura entre dos sistemas es mayor, la conducción de calor ocurre a un ritmo más rápido hasta que se logra el equilibrio térmico. Pero la tasa de conducción de calor disminuye cuando la diferencia de temperatura es menor.
Sección transversal del material
El tamaño del material también juega un papel fundamental a la hora de decidir la tasa de conducción térmica.
Cuanto mayor sea el tamaño, se requiere más energía térmica y la conducción térmica lleva más tiempo. Las áreas de sección transversal más pequeñas permiten la transferencia de calor a un ritmo mucho más rápido.
Longitud de la trayectoria
La longitud del camino es la distancia entre dos puntos de un sistema.
Cuanto más corta sea la distancia, más rápida será la conducción y se perderá la mínima cantidad de calor.
Propiedades físicas del material
Los metales tienen suficientes electrones para llevar a cabo la transferencia de calor. Pero los no metales no tienen electrones libres. De ahí que se les conozca como malos conductores del calor o aislantes.
¿Los metales alcalinos conducen el calor?
Los metales alcalinos son elementos químicos que están presentes en el Grupo 1 de la tabla periódica.
Se componen de litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio. Estos elementos forman álcalis (bases fuertes) cuando reaccionan con agua. Esto le da al grupo su nombre.
Los metales alcalinos son excelentes conductores del calor ya que tienen electrones libres que ayudan en la conducción del calor de un extremo al otro.
¿Qué metal es el mejor conductor del calor?
La plata es un excelente conductor del calor. Sin embargo, para fines comerciales, el cobre se utiliza para la conductividad térmica. Esto se debe a que el cobre funciona como una alternativa asequible a la plata.
La conductividad térmica de la plata es de 419 W/mK mientras que la del cobre es de 386 W/mK.
preguntas frecuentes
¿Qué no metal conduce el calor?
Los no metales son elementos químicos que no son dúctiles ni maleables. No tienen una estructura cristalina regular y carecen de brillo. En general, todos los no metales son malos conductores del calor y se denominan aislantes.
Pero el grafito, una fuente de carbono, es un excelente conductor del calor. Por lo tanto, se utiliza en la producción de hierro en la que el grafito se expone a altas temperaturas.
¿El metal conduce el calor mejor que el no metal?
Los metales tienen una mayor densidad que los no metales. Además, tienen electrones libres que faltan en el caso de los no metales. Por lo tanto, estos factores hacen que los metales sean mejores para conducir el calor que los no metales.
¿El metal conduce el calor mejor que el plástico?
La disponibilidad de electrones de conducción (electrones libres) en los metales lo convierte en un buen conductor del calor. Pero los plásticos carecen de electrones de conducción.
Por lo tanto, ensayan el papel de los aislantes. Por ejemplo, la conductividad térmica de la plata es de 419 W/mK, mientras que la del plástico es de 0,33 W/mK.
¿El metal conduce el calor mejor que la madera?
La madera no tiene una estructura rígida como el metal. Tiene un cuerpo poroso que da como resultado la pérdida de calor durante la transferencia de calor de un extremo a otro.
La conductividad térmica de la madera es de 0,12 W/mK. Por lo tanto, los metales conducen mejor el calor que la madera.
¿El metal conduce el calor mejor que el vidrio?
El vidrio no tiene una estructura cristalina ordenada. Además, no tiene electrones libres a diferencia de los metales para facilitar la conducción térmica.
La conductividad térmica del vidrio es de 0,130 W/mK. El vidrio actúa como aislante. Por lo tanto, los metales conducen mejor el calor que el vidrio.
¿Qué metal es un mal conductor del calor?
El plomo es un metal pero es un mal conductor del calor. Su conductividad térmica es de 35 W/mK.
¿Cuándo conduce el calor el metal?
El metal conduce el calor siempre que se calienta. El calentamiento le proporciona la energía necesaria para aumentar la energía de los electrones y permitirles vibrar y colisionar con sus electrones vecinos.
Esta colisión provoca la transferencia de calor entre ellos y el calor se transfiere con éxito de un lugar a otro.
¿Todos los metales conducen el calor?
No, todos los metales no conducen el calor. Los metales como el bismuto, el acero inoxidable, el cromo, el titanio y el plomo son malos conductores del calor.
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Conclusión
Los metales son buenos conductores del calor en virtud de la disponibilidad de electrones libres. Tienen una estructura regular que permite el flujo de electrones de un extremo a otro. Los metales conducen el calor cuando se calientan desde un punto de mayor temperatura a un punto de menor temperatura hasta que se obtiene el equilibrio térmico.
La plata y el cobre son excelentes conductores del calor, mientras que el plomo, el cromo, el bismuto, el titanio y el acero inoxidable son malos conductores del calor. Los no metales no tienen una estructura regular ni electrones libres. Por lo tanto, se denominan aisladores. El grafito es una excepción aquí.
¿El metal no conduce el calor?
La ley de Wiedemann-Franz dice que los metales deben conducir el calor y la electricidad en proporción entre sí. Tiene sentido cuando lo piensas. Los metales se definen por la capacidad de sus electrones para fluir libremente, y los electrones transmiten calor y electricidad.
¿Todos los metales son conductores del calor?
En los metales, hay electrones libres que facilitan la transferencia de energía. Por lo tanto, los metales son buenos conductores del calor. El oro, el mercurio, el plomo y las aleaciones son buenos conductores del calor. Pero en comparación con otros metales, el oro es un buen conductor del calor.