Przewodnictwo cieplne metali

Te dwa rondle mają taką samą temperaturę. Jeden z nich ma plastikowy uchwyt, a drugi metalowy. Możemy trzymać za plastikowy uchwyt, ale - ała! - poparzymy rękę trzymając za metalowy uchwyt. Metal dobrze przewodzi ciepło. Jeden koniec uchwytu ogrzewany jest przez rondel i ciepło rozchodzi się po całym uchwycie.

Metale są dobrymi przewodnikami ciepła. Plastikowy uchwyt jest podobnie ogrzewany przez rondel z jednej strony. Jednak ciepło nie rozchodzi się tak łatwo przez plastik. Plastik jest izolatorem ciepła. Większość materiałów to izolatory ciepła, na przykład szkło, kamień, drewno i tkanina.

Ale wszystkie metale są dobrymi przewodnikami ciepła. Dlaczego? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy sprawdzić czym jest ciepło - na poziomie atomowym. Wszystkie substancje składają się z atomów. W ciałach stałych atomy pozostają w miejscu, ale nie są zupełnie nieruchome: nieustannie poruszają się tam i z powrotem.

Atomy wibrują. Im cieplejszy jest materiał, tym mocniej wibrują jego atomy. I tym właśnie jest ciepło: ruchem na poziomie atomowym. A więc jak rozchodzi się ciepło? Oto uproszone przedstawienie niemetalu.

Atomy są ze sobą połączone za pomocą wiązań chemicznych. Wiązania składają się z elektronów znajdujących się między atomami. Podgrzejmy więc jedną stronę niemetalu. Podgrzane atomy zaczynają poruszać się coraz bardziej. Ruch ten przekazywany jest dalej przez wiązania chemiczne do sąsiednich atomów.

Teraz i one zaczynają coraz bardziej wibrować. Następnie ruch przekazywany jest jeszcze dalej, do kolejnych atomów, a potem jeszcze dalszych. W tym materiale każdy atom może oddziaływać jedynie na sąsiadujące z nim atomy. A im dalej, tym słabsze stają się wibracje. Ten niemetal słabo przewodzi ciepło.

A co w takim razie z metalami? Atomy metalu także zajmują ustalone miejsca. Między atomami znajdują się elektrony. Jednakże w metalach elektrony mogą się swobodnie przemieszczać. Te elektrony swobodne nie są powiązane żadnymi wiązaniami.

Mogą przemieszczać się swobodnie po całym materiale. A to zdecydowanie ulepsza przewodnictwo cieplne metalu. Spójrzmy, co stanie się, jeśli podgrzejemy jeden koniec metalu: atomy zaczynają bardziej wibrować. Wibrujący atomy może uderzać w wolny elektron. To sprawia, że wolny elektron porusza się szybciej.

Taki szybko poruszający się elektron uderza w kolejny atom i sprawia, że zaczyna on mocniej wibrować. I tak elektron porusza się dalej, uderzając w coraz więcej atomów, zanim zwolni. Elektrony także zderzają się ze sobą. Oznacza to, że w całym materiale jest coraz więcej szybko poruszających się elektronów, które jednocześnie uderzają w coraz więcej atomów. To własnie te elektrony swobodne sprawiają, że wszystkie metale są tak dobrymi przewodnikami ciepła.

Ciepło jest ruchem na poziomie atomowym. Ciepło rozchodzi się, gdy przez materiał rozchodzą się wibracje. To, co jest wyjątkowe w metalach, to fakt że posiadają elektrony swobodne. To one sprawiają, że ciepło rozchodzi się nie tylko do sąsiednich atomów, ale także tych dalej. To sprawia, że metale są dużo lepszymi przewodnikami ciepła.

A więc dlatego możemy poparzyć rękę na metalowym uchwycie. Chyba że użyjemy rękawicy kuchennej, w której nie ma żadnych elektronów swobodnych.