الموصلية الحرارية للمواد الشائعة

ما هي الموصلية الحرارية؟

الموصلية الحرارية هي مقياس لمدى قدرة المادة على نقل الحرارة. وهي توضح مدى سرعة انتقال الحرارة عبر المادة من الجانب الأكثر دفئًا إلى الجانب الأكثر برودة. والوحدات المستخدمة هي واط لكل متر كلفن (W/m-K). وتعني الموصلية الحرارية العالية أن المادة تنقل الحرارة بسرعة، بينما تشير القيم المنخفضة إلى أن المادة موصلة ضعيفة. تميل المعادن إلى التوصيل الحراري العالي. أما المواد مثل الخشب أو البلاستيك فعادةً ما تكون الموصلية الحرارية لها منخفضة. ويؤثر هذا الاختلاف على كيفية استخدام هذه المواد في التطبيقات، مثل أواني الطهي أو العزل أو المبادلات الحرارية.

قد يبدو هذا المفهوم تقنيًا لكن له استخدامات واقعية. على سبيل المثال، الموصلية الحرارية العالية للنحاس هي سبب استخدامه في الأسلاك الكهربائية وأواني الطهي. وفي المقابل، تُعد المواد ذات الموصلية الحرارية المنخفضة عوازل جيدة للمنازل والثلاجات. تساعد بيانات الموصلية الحرارية المهندسين على اختيار المواد المناسبة لمهام محددة.

قائمة بالموصلية الحرارية للمواد الشائعة

فيما يلي قائمة بالمواد الشائعة وقيم التوصيل الحراري النموذجية لها:

المعادن (الموصلية الحرارية العالية)

السيراميك والعوازل

البوليمرات والبلاستيك

أشباه الموصلات

مواد أخرى

- نحاس 400 واط/م-ك تقريباً.
النحاس معدن يستخدم على نطاق واسع في المبادلات الحرارية وأواني الطهي بسبب قدرته الممتازة على نقل الحرارة.

- الألومنيوم: حوالي 205 واط/م-ك.
الألومنيوم شائع في منتجات المطبخ ومواد البناء. وهو خفيف الوزن ولكنه ينقل الحرارة بشكل جيد.

- الحديد: حوالي 80 واط/م-ك.
يوجد الحديد في العديد من مواد البناء والآلات. توصيله للحرارة يجعله مناسباً للتطبيقات التي تحتاج إلى نقل حرارة معتدل.

- الفولاذ المقاوم للصدأ: حوالي 15-20 واط/م-ك.
نظرًا لانخفاض توصيله، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ مناسب للأجهزة التي تتطلب نقل حرارة أقل. وغالباً ما يستخدم في معدات المطابخ والأجزاء الصناعية.

- الزجاج: عادةً في حدود 1 واط/م-ك.
يستخدم الزجاج في النوافذ والزجاج العازل. خاصية انتقال الحرارة المنخفضة تجعله فعالاً في التصاميم الموفرة للطاقة.

- الخشب: بين 0.1 و0.2 واط/م-ك.
يُستخدم الخشب كمادة عازلة في المنازل نظراً لانخفاض خاصية التوصيل الحراري. وهو شائع في الأثاث وهياكل المباني.

- البلاستيك: يتراوح حول 0.1-0.5 واط/م-ك.
يستخدم البلاستيك في الأدوات المنزلية والأغطية الإلكترونية. وهي موصلات ضعيفة التوصيل، مما يساعد في تقليل فقدان الحرارة أو اكتسابها.

- السيراميك: حوالي 1-30 واط/م-ك.
السيراميك له نطاق واسع بسبب اختلاف تركيباته. وتُستخدم في أواني الطهي والإلكترونيات والتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال، يتميز الخزف بموصلية أقل مقارنةً بالسيراميك التقني المتقدم.

هذه القيم تقريبية. من الناحية العملية، يمكن أن تؤثر درجة النقاء والتركيب ودرجة الحرارة على الأرقام الدقيقة. عند اختيار المادة، يستخدم المهندسون البيانات الموثوقة والخبرة لتحديد الخيار الأفضل لمهام التسخين أو التبريد.

تستخدم التطبيقات الموصلية الحرارية بطرق عديدة. في عزل المباني، تحافظ المواد ذات الموصلية المنخفضة على الهواء الدافئ في الداخل خلال فصل الشتاء وفي الخارج خلال فصل الصيف. في الأجهزة الإلكترونية، تساعد الأجزاء عالية التوصيل الحراري على نشر الحرارة ومنع التلف. وفي قطع غيار السيارات، تؤثر الموصلية الحرارية على الكفاءة والسلامة. ولطالما اعتمد الحرفيون والمهندسون على حد سواء على هذه الأرقام لتوجيه الخيارات.

الخلاصة

تُعد الموصلية الحرارية خاصية مهمة تلعب دورًا كبيرًا في اختيار المواد لمختلف المهام. لقد رأينا أن المعادن مثل النحاس والألومنيوم تقوم بتوصيل الحرارة بشكل جيد للغاية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب نقلًا سريعًا للحرارة. وفي الوقت نفسه، تعمل مواد مثل الخشب والبلاستيك والزجاج كعوازل وتستخدم في الحالات التي تتطلب الاحتفاظ بالحرارة أو الوقاية منها. لمزيد من المعلومات التقنية والدعم، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي تشير إليه الموصلية الحرارية؟
س: تقيس مدى سرعة انتقال الحرارة عبر مادة ما، مما يشير إلى كفاءتها في نقل الحرارة.

ف: لماذا يُستخدم النحاس في أواني الطهي؟
س: لأن الموصلية الحرارية العالية تضمن التوزيع السريع والمتساوي للحرارة.

ف: كيف تفيد الموصلية الحرارية المنخفضة في عزل المباني؟
س: يبطئ انتقال الحرارة، مما يحافظ على دفء الأجزاء الداخلية في الشتاء وبرودتها في الصيف.