التوصيل الحراري يشير إلى نقل الطاقة الحرارية داخل جسم أو بين الأجسام المتصلة بسبب الاختلافات في درجة الحرارة. تحدث هذه العملية دون حركة كبيرة للمادة ،اعتماداً بدلاً من ذلك على تفاعلات الجسيمات المجهريةآليتان أساسيتان يدفعان التوصيل الحراري:
الحرارة تتدفق دائماً من مناطق درجة حرارة أعلى إلى أقل حتى يصل التوازن.تحدث هذه الظاهرة داخل الأشياء الفردية وبين الأسطح المتصلة - مثال على ذلك عندما تمسك أيدي دافئة بكوب قهوة ساخن.
الموصلات الحرارية (k) تحدد قدرة المادة على نقل الحرارة، والتي يتم تعريفها على أنها تدفق الحرارة لكل وحدة منحدر درجة الحرارة. المعادلة الحاكمة هي:
q = -k * (dT/dx)
حيث تمثل q تدفق الحرارة (W / m2) ، k هي الموصلات الحرارية (W / ((m · K)) ، و dT / dx يشير إلى تراجع درجة الحرارة (K / m). تشير القيم الأعلى k إلى قدرة نقل الحرارة المتفوقة.
بشكل عام ، تظهر المواد الصلبة موصلات حرارية أكبر من السوائل ، والتي تتفوق على الغازات في موصلاتها.هذا التسلسل الهرمي ينبع من كثافة التعبئة الجزيئية - وتسهيل الهياكل المرتبة بإحكام الصلبة نقل طاقة أكثر كفاءةعلى سبيل المثال ، فإن التوصيل المنخفض للهواء (≈ 0.024 W / ((m · K)) يجعله مثاليًا للعزل ، في حين أن التوصيل العالي للمعادن مناسب لتطبيقات غسول الحرارة.
ثلاث أنماط متميزة لنقل الحرارة تعمل بمبادئ فيزيائية مختلفة:
معظم السيناريوهات العملية تنطوي على آليات نقل الحرارة المشتركة التي تؤثر في وقت واحد على توزيعات درجة الحرارة.
موصلات المعادن الاستثنائية تنبع من سحابها الإلكتروني المحلي. عند التسخين، هذه الإلكترونات المتنقلة تنتشر بسرعة الطاقة الحرارية من خلال الشبكة عن طريق الاصطدامات.يثبت هذا النقل الالكتروني أنّه أكثر كفاءة من توصيل الفونونات في غير المعادن، مما يفسر الأداء الحراري المهيمن للمعادن.
المعادن الشائعة تظهر اختلافات كبيرة في الموصلات عند درجة حرارة الغرفة:
في حين أن الفضة تقود في التوصيل ، فإن تكاليفها تحد من استخدامها للتطبيقات المتخصصة. يهيمن النحاس والألومنيوم على إدارة الحرارة الصناعية (المساحات الحرارية ،المبادلات) بسبب الأداء المتوازن والاقتصادانخفاض موصلة الفولاذ المقاوم للصدأ يتناسب مع احتياجات العزل الحراري مثل أدوات الطبخ وأوعية التخزين.
يتطلب اختيار المعدن الأمثل تقييمًا متعدد المعايير:
المواد المركبة المتقدمة تجمع بين مزايا المواد لإدارة الحرارة المحسنة. تشمل الأمثلة:
هذه الابتكارات تعد بحلول حرارية تحويلية عبر الصناعات.