알루미늄 합금은 왜 열전도율이 높나요?

순수 알루미늄의 열전도율은 알루미늄 합금보다 우수하지만 경도가 낮고 변형되기 쉬워 방열 및 수명에도 영향을 미칩니다. 방열 성능이 충족되는 한 알루미늄 합금을 선택하면 방열판의 강도를 향상시킬 수 있습니다(순수한 알루미늄은 대기 환경에서 장시간 사용하면 쉽게 산화되고 일부 알루미늄 합금은 산화에 효과적으로 저항할 수 있습니다).

알루미늄 합금의 열 전달 성능은 스테인레스 스틸보다 우수하며 열 전달 성능은 열전도도에 정비례합니다.

알루미늄의 열전도율은 204/W·(m·k)인 반면, 스테인리스강의 열전도율은 14/W·(m·k)에 불과해 알루미늄 합금의 열전달 성능은 스테인레스 스틸보다 좋습니다.

열전도율이란 안정된 열전달 조건에서 물질 양면의 온도차 1도(K, ℃)인 두께 1m의 물질이 1초(1S)에 1제곱미터를 통과한다는 뜻이다. 면적별로 전달되는 열의 단위는 와트/미터·도(W/(m·K), 여기서 K는 ℃로 대체 가능)입니다.

확장 정보

열전도는 열전도라고도 합니다. 서로 접촉하고 온도가 다른 두 물체 사이, 또는 온도가 다른 동일한 물체의 부분 사이에서 상대적인 거시적 변위가 없는 열 전달 과정을 열전도라고 합니다. 열을 전도하는 물질의 능력을 물체의 열전도율이라고 합니다.

밀도가 높은 고체와 정지 유체 내부의 열 전달은 순전히 열 전도입니다. 열 전도성 부품은 움직이는 유체의 열 전달에 관여합니다.

영향을 주는 요인

열전도는 열을 전달하는 재료 내 전자, 원자, 분자 및 격자의 열 이동에 따라 달라집니다. 그러나 재료의 특성이 다르고 주요 열전도 메커니즘이 다르며 효과도 다릅니다. 일반적으로 금속의 열전도율은 비금속의 열전도율보다 크고, 순수 금속의 열전도율은 합금의 열전도율보다 높습니다. 물질의 세 가지 상태 중에서 열전도도는 고체 상태가 가장 크고, 액체 상태, 기체 상태가 가장 작습니다. 예: 표준 대기압 하에서 0°C에서 얼음, 물 및 수증기의 열전도율은 각각 2.22W/(m·K), 0.55W/(m·K) 및 0.183W/(m·K)입니다.

금속 열전도율은 주로 자유 전자의 열 이동에 따라 결정됩니다. 전기 전도성이 좋은 금속 재료는 열전도율도 높습니다. 금속의 열전도율은 2.3~420W/(m·K)이고, 은의 열전도율은 420W/(m·K)입니다. 그러나 순금속에 다른 원소를 첨가하여 합금을 만든 후에는 이러한 원소가 내장되어 자유전자의 이동을 심각하게 방해하여 열전도도가 크게 감소합니다. 예를 들어 순동의 λ = 398W/(m·K) 아연을 30% 첨가하면 순동은 황동이 되고, λ는 109W(m·K)에 불과하다.

비금속 재료의 열전도는 주로 격자 구조의 진동에 의존하여 탄성파를 생성하여 에너지를 전달합니다. 물리학에서는 이를 에너지의 포논 전달이라고 합니다. 전사 과정에서 결정 틈이나 균열과 같은 포논 산란 요인이 있으면 열전도도가 크게 감소합니다. 액체의 열전도율은 0.07~0.7W/(m·K) 범위에 있으며, 액체의 열전도 메커니즘은 비교적 복잡합니다. 가스의 열전도는 분자의 열 운동에 의존합니다. 고온 영역의 분자 속도는 저온 영역의 분자 속도보다 빠릅니다.

가스의 열전도도는 0.006~0.7W/(m·K) 범위입니다. 가스 분자는 열전도율에 더 큰 영향을 미치며, 분자량이 작을수록 무게는 가벼워지고, 이동 속도가 빠를수록 열전도율은 높아집니다. 발전소 발전기는 공냉식 대신 수소냉각을 사용하기 때문에 냉각효과가 더 좋습니다.

미시적 관점에서 볼 때 열전도율은 물질을 구성하는 입자의 열 이동에 따라 열을 전달합니다. 온도가 높을수록 에너지가 더 높습니다. 이들 입자와 저온부 저에너지 입자 사이의 상호작용(충돌, 확산 등)이 열전도를 형성한다. 열전도를 유지하는 것은 원자와 분자의 이러한 움직임입니다. 열전도란 물질 입자 간의 상호작용으로 인해 에너지 준위가 높은 입자에서 에너지 준위가 낮은 입자로 에너지가 전달되는 것이라고 생각할 수 있습니다.

기체의 열전도를 연구할 때 친숙한 열역학 개념을 사용하면 이 열 전달 방법의 물리적 메커니즘을 쉽게 설명할 수 있습니다. 내부 온도 구배는 있지만 거시적 움직임은 없는 가스를 생각해 보십시오. 이 가스는 서로 다른 온도를 유지하는 두 표면 사이의 공간을 채웁니다. 어떤 지점의 온도를 그 지점 근처에 있는 기체 분자의 에너지와 연관시키면, 분자의 에너지는 분자 내부의 스핀 및 진동뿐만 아니라 분자의 무작위 운동과도 관련이 있음을 알 수 있습니다.

그리고 온도가 높은 분자는 분자 에너지도 더 큽니다. 분자들은 종종 서로 충돌하기 때문에 이웃한 분자들이 충돌할 때 더 큰 에너지를 가진 분자가 더 적은 에너지를 가진 분자에게 에너지를 전달해야 합니다. 따라서 온도 구배가 있으면 필연적으로 온도가 감소하는 방향으로 열전도가 발생합니다. 그림 2는 이러한 열 전달 과정을 명확하게 보여줍니다.

분자의 무작위 운동으로 인해 일부 분자는 끊임없이 위와 아래에서 가상 평면을 가로지릅니다. 그러나 표면 위의 분자 온도가 표면 아래 분자의 온도보다 높기 때문에 양의 x축을 따라 순 에너지 전달이 있어야 합니다. 열전도는 분자의 무작위 운동과 관련되어 있으므로 이러한 열 전달 방법을 에너지 팽창이라고 부를 수 있습니다.

액체의 열전도도 마찬가지지만 분자 사이의 거리가 더 작고 분자 사이의 상호 작용이 더 강하며 더 자주 발생합니다. 마찬가지로 고체의 열전도는 격자 진동 형태의 분자 운동에 기인할 수 있습니다. 현대적인 견해는 고체의 에너지 전달이 원자 운동으로 인한 격자 운동 때문이라는 것입니다.

부도체는 에너지를 전달하기 위해 이러한 격자 변동에 전적으로 의존합니다. 도체에서는 자유 전자 이동으로 인한 에너지 전달도 있습니다.

참고 출처: 바이두백과사전-열전도율