Estructura química
La naturaleza del calor y su conducción en los sólidos está relacionada con la estructura atómica. Hay tres cuatro clases principales que podemos considerar, sólidos iónicos, sólidos metálicos, sólidos moleculares y sólidos de red covalente.
Fonones
La naturaleza del calor está estrechamente relacionada con la naturaleza del sonido. Ambos pueden describirse como excitaciones en los estados de energía térmica disponibles del material (fonones) que están suficientemente por debajo de las energías químicas para no alterar la naturaleza de la sustancia misma. Las energías sonoras están en el extremo inferior de este rango y consisten en movimientos coordinados de los centros de masa que viajan como una onda de compresión. Ignorando las ondas de corte, por simplicidad, esencialmente esto significa que todas las masas se mueven en la misma dirección en términos relativos, en el caso de los sonidos, y en una dirección neta global aleatoria o cero, en el caso de movimientos de calor. Los fonones pueden ser acústicos u ópticos. Los fonones ópticos están acoplados a los movimientos de cargas (dipolos) unidos a las masas que están vibrando. (Para intercambiar energía con radiación electromagnética, Infared, los fonones ópticos deben vibrar en ángulo recto con el campo eléctrico de la radiación, porque EMR es una onda transversal).
La naturaleza de la energía térmica.
El tratamiento clásico del calor, como el sonido, es considerar la energía cinética como el movimiento de las masas conectadas por tantos resortes . En los resortes, la energía se interconvierte entre la energía potencial y la cinética. Entonces, la energía total en cualquier momento será al menos la mitad en una de estas formas. Una acción de resorte es en realidad una rotación en el espacio de fase.
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A medida que las energías vibracionales se interconvierten. Pero también hay energía rotacional ya que las masas moleculares pueden rotar o voltearse en posición. Incluso el giro puede contribuir a la energía térmica si hay alguna interacción con un campo. La rigidez del resorte se relaciona con la energía de enlace químico entre los átomos, que también contiene energía cinética, y una disminución de la energía cinética debido a las interacciones de intercambio entre espines de electrones, pero estos no contribuyen al calor. Proporcionan la rigidez que permite que los enlaces vibren a una velocidad mayor. El diamante tiene fuertes enlaces covalentes y, en consecuencia, es un buen conductor térmico.
Temperaturas bajas
También según los principios cuánticos, un estado que gira o vibra libremente tiene un estado fundamental que no desaparece cuando se baja la temperatura. Las temperaturas de milicelvin eliminan todos los estados excitados excepto los estados fundamentales.
Las temperaturas de microkelvin pueden producir fenómenos de superconducción en metales, causados por correlaciones electrónicas y posibles estados bosónicos o estadísticas bosónicas, y condensados cuánticos.
Sólidos iónicos
Tuve más dificultades para localizar la investigación sobre estos, ya que necesitan ser modelados usando computadoras. En lugar de ser buenos conductores, los sólidos iónicos son pobres. Los enlaces iónicos son fuertes, y esto quizás sugiera conductividad del calor, pero las cargas iónicas sirven para alterar las vibraciones acústicas, y las vibraciones ópticas sirven para dispersar los fonones. La dispersión de fonones consiste en dividir y fusionar fonones de varias maneras. Las cargas generalmente causan cierta amortiguación de la vibración, y especialmente perturban la creación de estados excitados sin equilibrio que son necesarios como parte del proceso de conducción de energía.
Rieles
Los metales son cristales, pero aquí los electrones están haciendo algo diferente. Cada átomo proporciona un electrón, por lo que la masa de los átomos supera ampliamente la masa de estos electrones. Tanto los electrones como los átomos tienen energía térmica, y la conductividad térmica se relaciona con la conductividad eléctrica. Los electrones se extienden por todo el metal y forman niveles de energía. No se mueven cuando conducen calor, mientras que los fotones, modos cuantificados de vibración reticular, contienen impulso y se mueven.
El gas fermi
Los electrones están unidos a la matriz de los átomos metálicos centrales, por lo que pueden considerarse como un gas en un pozo potencial, que está sujeto a la mecánica cuántica. La energía para eliminar un electrón de un metal es la función de trabajo del metal, y los fotones pueden lograrla comúnmente. También se puede lograr mediante el potencial eléctrico aplicado y las altas temperaturas del metal. Si calcula las propiedades de este gas, tiene una presión muy baja (solo un electrón en lugar de un átomo) y una temperatura extremadamente alta, aproximadamente 50,000 grados. Incluso a temperaturas muy bajas de los átomos metálicos, el gas de electrones es forzado a un estado de alta temperatura por el principio de exclusión. Los electrones no pueden ocupar el mismo nivel de energía y acumularse en energía de esta manera. Por lo tanto, además del calor reticular normal, debe agregar calor adicional 3R / 2 a todas las temperaturas, una contribución constante de los electrones. Esto domina a temperaturas más bajas. A altas temperaturas, la capacidad de calor molar es de 9 / 2R. El número de estados cuánticos nos compara con el número de electrones, que está relacionado con ese volumen. Por lo tanto, hay dos sistemas físicos separados que contienen energía, con dos tipos diferentes de leyes estadísticas en funcionamiento. Los átomos pesados están soportando fonones acústicos que son bosones, y el gas electrónico obedece a las estadísticas de Fermion, que se vuelven significativas por debajo de unos 20 kelvin.
Semiconductores
La banda de Fermi en metales está compuesta de electrones de valencia, lo que significa que sus energías son más bajas que los semiconductores. Hay una brecha de banda cada vez mayor para excitar a los ekectrones en semi metales, y tienen bajos niveles de población.
