التوصيل الحراري للمعادن

هذان القِدران لهما نفس درجة الحرارة. لأحدهما مقبض بلاستيكي، بينما الأخرى مقبضها معدني. يمكنك الإمساك بالمقبض البلاستيكي، لكن - أووو! - ستحرق يدك إن أمسكت بالمعدن. المعدن موصل جيد للحرارة. بينما يسخن الطرف المتصل بالقدر، تنتشر الحرارة عبر المقبض بأكمله، فالمعادن موصلات جيدة للحرارة. يسخن المقبض البلاستيكي بنفس المقدار بفعل القِدر عند هذا الطرف، لكن الحرارة لا تنتشر بتلك السهولة عبر المقبض. البلاستيك عازل حراري. معظم المواد هي عوازل حرارية، مثل الزجاج والصخر والخشب والقماش. لكن جميع المعادن موصلات جيدة للحرارة. لماذا؟ للإجابة عن ذلك، علينا النظر في ماهي الحرارة - على المستوى الذري. تتكون جميع المواد من ذرات. في المواد الصلبة، تبقى الذرات في مكانها، لكنها لا تكون ثابتة تماما: إنها تتحرك باستمرار للأمام والخلف. إنها تهتز. كلما زادت حرارة المادة، كلما زاد اهتزاز الذرات، وهذه هي الحرارة: حركة على المستوى الذري. إذا كيف تنتشر الحرارة؟ هذا تمثيل بسيط لمادة غير معدنية. ترتبط الذرات ببعضها من خلال روابط كيميائية. تتكون الروابط من إلكترونات متواجدة بين الذرات. لنقم بتسخين أحد جوانب هذه المادة. تبدا الذرات التي تسخُن في الاهتزاز بقوة. تنتقل هذه الحركة إلى الذرات المجاورة عبر الروابط الكيميائية، فتبدا بالاهتزاز أكثر كذلك. ثم تنتقل الحركة للذرات التالية، ثم التالية. في هذه المادة، لا تستطيع الذرة التأثير إلا على أقرب جيرانها، ومع كل خطوة، يضعف الاهتزاز شيئا فشيئا. توصيل الحرارة ضعيف في هذا اللا-معدن. ماذا عن المعادن إذا؟ تُرتِّب ذرات المعادن نفسها في أماكن ثابتة أيضا، وهناك إلكترونات بين الذرات كذلك. لكن الإلكترونات تكون حرة الحركة في المعادن. هذه الذرات الحرة غير مرتبطة بذرات بعينها، ويمكنها التحرك بحرية في أي مكان بالمعدن كله، وهذا يُحسِّن التوصيل الحراري كثيرا. أنظر لما يحدث عندما نقوم بتسخين أحد أطراف المعدن: تبدأ هذه الذرات بالاهتزاز أكثر. يمكن للذرة التي تهتز أن تدفع إلكترونا حرا، مما يجعل الإلكترون يتحرك بشكل أسرع. يصطدم الإلكترون سريع الحركة بذرة أخرى، فيجعلها تهتز أكثر، ثم يتابع الإلكترون تحركه، مصطدما بذرات أكثر قبل أن تبدأ سرعته في الانخفاض. تصطدم الإلكترونات ببعضها كذلك، مما يعني أننا نحصل على المزيد والمزيد من الإلكترونات سريعة الحركة عبر المادة، مما يؤدي لسخونة المزيد من الذرات في نفس الوقت. هذه الإلكترونات الحرة هي ما يجعل المعادن موصلات جيدة للحرارة بهذا الشكل. الحرارة عبارة عن حركة على المستوى الذري. تنتشر الحرارة بانتشار الاهتزازات عبر المادة. ما يميز المعادن هو أن لديها إلكترونات حرة، والتي يمكنها حمل الحرارة - ليس للذرات القريبة فحسب، ولكن للأبعد كذلك، وهذا يجعل التوصيل الحراري أعلى بكثير في المعادن. هذا هو سبب احتراق يدك عند إمساك المقبض المعدني، إلا إذا استخدمت منشفة لحمل القِدر بالطبع - فليست بها أية إلكترونات حرة.