La conductividad térmica de la mayoría de los sólidos es mayor que la de los líquidos. ¿Por qué la conductividad térmica del mercurio (existe en estado líquido) es mayor que la del vidrio (un sólido)?

En sólidos y líquidos, el calor puede ser transportado por ambas vibraciones de red atómica (específicamente, fonones acústicos en un sólido cristalino, que se generalizan a ondas sonoras en un líquido) o electrones libres. Además, los líquidos pueden soportar la transferencia de calor por convección.

Los líquidos tienen una conductividad térmica menor que los sólidos porque a escala atómica, son básicamente sólidos desordenados. Los sólidos desordenados también tienen una conductividad térmica más pobre que los sólidos con un alto grado de cristalinidad porque los fonones acústicos están dispersos en imperfecciones tales como dislocaciones reticulares, impurezas y límites de grano. Los metales tienden a tener una conductividad térmica más alta que los no metales (intente poner su café caliente en una taza de cobre) porque el primero tiene electrones libres para transportar calor y el segundo no.

Para el caso específico en la pregunta, vidrio vs mercurio, el vidrio en la pregunta probablemente no tiene un alto grado de cristalinidad a escala atómica, lo que limita su conductividad térmica de red. Además, es un aislante (y bastante bueno si es transparente), lo que limita su conductividad térmica electrónica.

Como dijo Inna Vishik, tanto la conductividad eléctrica como las vibraciones contribuyen a la conductividad térmica.

La velocidad del sonido es una medida de la rapidez con que las vibraciones (y el calor) se mueven a través de un material. La velocidad del sonido de Mercurio está más cerca de la del agua que de los sólidos. Pero la conductividad térmica del mercurio es similar a la del vidrio (SiO2 amorfo) y el cuarzo (SiO2 cristalino).

La razón es que el mercurio tiene una conductividad eléctrica mucho mayor que el vidrio o el cuarzo. (Observe que el eje horizontal en la figura a continuación es logarítmico).

[La mayoría de los datos para estos gráficos provienen de Speed ​​of Sound en algunos Solidsand List comunes de conductividades térmicas y el artículo de Wikipedia sobre mercurio que menciono a continuación. Agregué las líneas discontinuas en estas figuras para separar los metales de los no metales.]

La conductividad térmica de Mercurio es el resultado de su acoplamiento eléctrico bajo pero aún metálico entre los átomos (conductividad eléctrica) con solo una pequeña contribución de su muy bajo acoplamiento vibratorio entre los átomos (velocidad del sonido).

[Para mí, los materiales más interesantes en estas figuras son el diamante (conductividad muy baja pero muy alta conductividad térmica debido a enlaces covalentes de muy alta resistencia) y cobre (velocidad media del sonido pero muy alta conductividad térmica debido a muy alta conductividad eléctrica). ]

La razón por la que Hg es un metal pero también un líquido a temperatura ambiente se resume en el artículo de Wikipedia, Mercurio (elemento), (también una buena fuente para obtener más información sobre el elemento)

Una explicación completa de esto profundiza en el ámbito de la física cuántica, pero se puede resumir de la siguiente manera: el mercurio tiene una configuración electrónica única donde los electrones llenan todos los 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p disponibles , Subcapas 4d, 4f, 5s, 5p, 5d y 6s. Debido a que esta configuración resiste fuertemente la eliminación de un electrón, el mercurio se comporta de manera similar a los gases nobles, que forman enlaces débiles y, por lo tanto, se funden a bajas temperaturas.

La conductividad térmica es proporcional a la densidad y Hg tiene mayor densidad que la mayoría de los sólidos. Esta podría ser la razón.