Värmeledning i metaller

I metaller sker värmeledningen medels elektroner - därför är elektriska ledare också bra värmeledare. Det experimentalla sambandet är mycket starkt. Wiedemann-Franzlagen säger att

K/σT är konstant

där K är värmeledningkoefficienten och sigma den elektriska ledningsförmågan. Konstanten heter Lorenz-talet.

Grundämne K/σT vid 273 K (WΩ/K2) K/σT vid 373 K (WΩ/K2)
Li 2,22 x 10-8 2,43 x 10-8
Na 2,12 
K 2,23 
Rb 2,42 

Cu

2,20

2,29

Ag

2,31

2,38

Au

2,31

2,36

Be

2,36

2,42

Mg

2,14

2,25

Nb

2,90

2,78

Fe

2,61

2,88

Zn

2,28

2,30

Cd

2,49

  

Al

2,14

2,19

In

2,58

2,60

Tl

2,75

2,75

Sn

2,48

2,54

Pb

2,64

2,53

Bi

3,53

3,53

Sb

2,57

2,69

Teoretiskt räknar man ut π2 k2/3e2 = 2,45 x 10-8 W-Ohm/K2 där k är Boltzmanns konstant med antagandet att elektronerna är ett fritt gas av fermioner.

Demonstrationsexperiment

I Norstedts gamla låda med en experimentsats för Värmelära finns ett demonstrationsexperiment som visar värmeledning i fyra olika metallstavar.

Vattenånga leds genom en ihålig metallbult, där fyra stavar är inskruvade. Stavarna är gjorda av koppar, aluminium, järn, och rostfritt stål (från vänster till höger i bilden). För att kunna se hur snabbt värmet från bulten leds ut genom metallstavarna, målas de med värmefärg. Färgen innehåller en kobaltsalt som blir blå när kristallvattnet försvinner - det händer vid ungefär 60°C.

Ganska snabbt efter att man börjat leda ånga genom bulten, börjar koppar- och aluminiumstavarna bli blåa. Man kan även se att koppar är en bättre värmeledare (och också bättre elektrisk ledare) än aluminium. Järn har tydligt sämre ledningsförmåga, medan staven av rostfritt stål blir blå bara nära bulten.

Anordningen är ganska omständig. Det är lättara att bara hålla stavarna in en låga. Då känns det att aluminium och koppar är bra värmeledare. Även om det är inte lika lätt att fastställa en skillnad mellan koppar och aluminium, minns man kanske bättre för att det gjorde ont!