Θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα (σύμβολο λ, μονάδα W/(m·K)) είναι μια ιδιότητα υλικού που δηλώνει πόσο γρήγορα ένα στερεό, ένα υγρό ή ένα αέριο μεταφέρει θερμική ενέργεια από μια θερμότερη προς μια ψυχρότερη ζώνη. Όσο υψηλότερη η τιμή λ, τόσο αποδοτικότερα μεταφέρει το υλικό τη θερμότητα. Τα πολύτιμα μέταλλα συγκαταλέγονται στους καλύτερους θερμικούς αγωγούς που υπάρχουν – μια ιδιότητα που είναι εξίσου περιζήτητη στη βιομηχανία όσο και σχετική στον υπολογιστή αξίας τήξης για κράματα.

Φυσικό υπόβαθρο

Η μεταφορά θερμότητας στα μέταλλα πραγματοποιείται κατά κύριο λόγο μέσω ελεύθερων ηλεκτρονίων, όχι μόνο μέσω των ταλαντώσεων του πλέγματος (φωνόνια). Γι' αυτό οι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί είναι κατά κανόνα και καλοί θερμικοί αγωγοί – αυτή τη σχέση περιγράφει ο νόμος Wiedemann-Franz:

λ / σ = L · T

Όπου σ είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα, T η απόλυτη θερμοκρασία (σε Κέλβιν) και L ο αριθμός Lorenz (≈ 2,44 × 10⁻⁸ W·Ω/K²). Ο νόμος ισχύει αρκετά καλά για καθαρά μέταλλα σε θερμοκρασία δωματίου.

Τα πολύτιμα μέταλλα σε σύγκριση

Ο άργυρος οδηγεί την κατάταξη των καθαρών μετάλλων με 429 W/(m·K) και είναι έτσι ο καλύτερος μεταλλικός θερμικός αγωγός που υπάρχει. Ο χαλκός ακολουθεί οριακά πίσω με 401 W/(m·K) – γι' αυτό ο χαλκός κυριαρχεί ως φθηνότερη εναλλακτική σε ψύκτρες και εναλλάκτες θερμότητας. Ο χρυσός φτάνει τα 318 W/(m·K) και χρησιμοποιείται εκεί όπου προτεραιότητα έχει η αντοχή στη διάβρωση, π.χ. στην αεροδιαστημική ή στη μικροηλεκτρονική. Η πλατίνα και το παλλάδιο βρίσκονται με περίπου 72 W/(m·K) σαφώς χαμηλότερα, υπερτερούν όμως χάρη στην αντοχή τους σε υψηλές θερμοκρασίες.

Πρακτική σημασία

Στην ηλεκτρονική η θερμική αγωγιμότητα καθορίζει πόσο αποτελεσματικά ψύχονται οι επεξεργαστές και οι ημιαγωγοί ισχύος. Οι θερμοαγώγιμες πάστες με άργυρο και τα στρώματα πυροσυσσωμάτωσης θεωρούνται η αιχμή της τεχνολογίας για τσιπ υψηλής απόδοσης. Στον τομέα του κοσμήματος και των κραμάτων κάθε συστατικό κράματος μεταβάλλει την τιμή λ: το ασήμι sterling (925) αγώγει ήδη αισθητά χειρότερα από το καθαρό ασήμι, επειδή τα ελαττώματα του πλέγματος διαταράσσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων.

Η θερμική αγωγιμότητα επηρεάζει επίσης τη λεγόμενη δοκιμή τήξης πάγου στον άργυρο: ο καθαρός άργυρος αγώγει τη θερμότητα τόσο καλά ώστε ένα παγάκι πάνω σε μια ράβδο αργύρου λιώνει σαφώς ταχύτερα από ό,τι στα περισσότερα άλλα μέταλλα – μια απλή δοκιμή αληθοφάνειας για οικιακή χρήση.

Με λίγα λόγια

Ο άργυρος είναι ο καλύτερος μεταλλικός θερμικός αγωγός των γνωστών στοιχείων· ο χαλκός και ο χρυσός ακολουθούν με μικρή απόσταση. Αυτή η ιδιότητα καθιστά τα πολύτιμα μέταλλα αναντικατάστατα υλικά στην ηλεκτρονική υψηλής απόδοσης, την αεροδιαστημική και τη θερμοτεχνική – πολύ πέρα από τη λειτουργία τους ως πολύτιμο μέταλλο επένδυσης.

Πηγές: NIST (nist.gov), CRC Handbook (crcpress.com).