Dẫn nhiệt là một hiện tượng vật lý quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. Từ những dụng cụ nhà bếp quen thuộc như nồi, chảo, đến các thiết bị công nghệ cao như tản nhiệt cho máy tính, dẫn nhiệt góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các sản phẩm. Vậy dẫn nhiệt là gì, những yếu tố nào ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt, và đâu là những vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất? Hãy cùng Intech Energy tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây.
Định nghĩa dẫn nhiệt là gì?
Dẫn nhiệt là hiện tượng truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp hơn thông qua sự va chạm và chuyển động của các hạt trong vật chất, mà không có sự dịch chuyển khối lượng của vật chất đó.
Hiện tượng này xảy ra trong chất rắn, lỏng, khí nhưng phổ biến và hiệu quả nhất trong chất rắn, đặc biệt là kim loại, vì các hạt trong chất rắn được sắp xếp gần nhau.
Ví dụ về dẫn nhiệt trong đời sống là khi đun một đầu thanh kim loại (như thanh đồng hoặc sắt), đầu còn lại của thanh cũng nóng lên sau một thời gian, dù nó không tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt. Còn ví dụ về sự dẫn nhiệt trong công nghiệp là việc tản nhiệt trong máy tính sử dụng các vật liệu dẫn nhiệt tốt như nhôm hoặc đồng để truyền nhiệt từ bộ vi xử lý (CPU) ra môi trường bên ngoài.
Vật dẫn nhiệt tốt gồm những vật nào?
Kim cương – 2000–2200 W/m•K
Kim cương là vật liệu dẫn nhiệt hàng đầu với giá trị dẫn nhiệt gấp 5 lần đồng, kim loại được sản xuất nhiều nhất tại Hoa Kỳ. Các nguyên tử trong kim cương được cấu tạo từ carbon với cấu trúc phân tử lý tưởng cho việc truyền nhiệt hiệu quả. Thông thường, các vật liệu có thành phần hóa học đơn giản và cấu trúc phân tử dễ dàng sẽ có giá trị dẫn nhiệt cao nhất.
Kim cương là một thành phần quan trọng trong nhiều thiết bị điện tử cầm tay hiện đại, giúp tản nhiệt và bảo vệ các bộ phận nhạy cảm của máy tính. Khả năng dẫn nhiệt cao của kim cương cũng được ứng dụng trong việc kiểm tra tính xác thực của đá quý trong ngành trang sức. Việc tích hợp một lượng nhỏ kim cương vào công cụ và công nghệ có thể tạo ra sự cải thiện đáng kể về khả năng dẫn nhiệt.
Bạc – 429 W/m•K
Bạc là kim loại dẫn nhiệt tương đối rẻ và dồi dào. Bạc là thành phần của nhiều thiết bị gia dụng và được xem là một trong những kim loại linh hoạt nhất nhờ tính dẻo. 35% lượng bạc sản xuất tại Hoa Kỳ được sử dụng trong các thiết bị điện và điện tử. Một sản phẩm phụ của bạc, keo bạc, đang có nhu cầu tăng cao nhờ được ứng dụng trong các giải pháp năng lượng thân thiện với môi trường. Keo bạc được sử dụng để sản xuất các tế bào quang điện, một thành phần chính của các tấm pin năng lượng mặt trời.
Đồng – 398 W/m•K
Đồng là kim loại được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất các thiết bị dẫn nhiệt tại Hoa Kỳ. Đồng có điểm nóng chảy cao và tốc độ ăn mòn vừa phải. Đây là kim loại hiệu quả trong việc giảm thiểu tổn thất năng lượng khi truyền nhiệt. Các ứng dụng phổ biến của đồng bao gồm nồi kim loại, ống dẫn nước nóng và bộ tản nhiệt trong ô tô.
Vàng – 315 W/m•K
Vàng là kim loại quý hiếm và đắt đỏ, được sử dụng cho các ứng dụng dẫn nhiệt đặc thù. Không giống như bạc và đồng, vàng hiếm khi bị xỉn màu và có khả năng chống lại sự ăn mòn mạnh mẽ.
Nhôm nitride – 310 W/m•K
Nhôm nitride thường được sử dụng thay thế cho beryllium oxide vì không gây nguy hiểm sức khỏe trong quá trình sản xuất nhưng vẫn có các đặc tính hóa học và vật lý tương tự. Nhôm nitride là một trong số ít vật liệu vừa có khả năng cách điện vừa dẫn nhiệt cao. Vật liệu này có khả năng chịu sốc nhiệt vượt trội và được sử dụng làm chất cách điện trong các vi mạch cơ học.
Silicon carbide – 270 W/m•K
Silicon carbide là một chất bán dẫn, được cấu tạo từ silicon và carbon. Khi được chế tạo và liên kết với nhau, silicon và carbon tạo thành một vật liệu cực kỳ cứng và bền. Silicon carbide thường được sử dụng trong hệ thống phanh ô tô, tua-bin và hợp kim thép.
Nhôm – 237 W/m•K
Nhôm thường được dùng làm giải pháp thay thế chi phí thấp cho đồng. Mặc dù không dẫn nhiệt tốt bằng đồng, nhưng nhôm dễ khai thác và dễ gia công nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp. Nhôm là thành phần thiết yếu của đèn LED và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hợp kim đồng-nhôm, giúp kết hợp ưu điểm của cả hai kim loại với chi phí sản xuất thấp hơn.
Vonfram – 173 W/m•K
Tungsten có điểm nóng chảy cao và áp suất hơi thấp, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị chịu điện năng lớn. Tính chất trơ hóa học của tungsten cho phép nó được sử dụng trong các điện cực của kính hiển vi điện tử mà không làm thay đổi dòng điện. Tungsten cũng thường được dùng trong bóng đèn và ống tia âm cực.
Than chì – 168 W/m•K
Than chì là một dạng carbon dồi dào, chi phí thấp và nhẹ hơn nhiều so với các dạng carbon khác. Nó thường được thêm vào hỗn hợp polyme để cải thiện khả năng dẫn nhiệt. Pin là một ví dụ phổ biến về thiết bị sử dụng khả năng dẫn nhiệt cao của than chì.
Kẽm – 116 W/m•K
Kẽm là một trong số ít kim loại dễ kết hợp với các kim loại khác để tạo ra hợp kim. 20% các thiết bị từ kẽm ở Hoa Kỳ được làm từ hợp kim kẽm. 40% kẽm nguyên chất được sử dụng trong quá trình mạ kẽm, một quy trình phủ kẽm lên bề mặt thép hoặc sắt nhằm bảo vệ vật liệu khỏi sự ăn mòn và thời tiết.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt
Loại vật liệu: Mỗi loại vật liệu có độ dẫn nhiệt khác nhau, phụ thuộc vào cấu trúc phân tử và khả năng truyền nhiệt qua các hạt.
- Vật liệu dẫn nhiệt tốt: Kim loại (như đồng, nhôm, sắt) vì các electron tự do dễ dàng truyền năng lượng.
- Vật liệu dẫn nhiệt kém: Nhựa, gỗ, cao su vì không có các electron tự do và cấu trúc phân tử cản trở sự truyền nhiệt.
Nhiệt độ: Độ dẫn nhiệt của một vật liệu có thể thay đổi theo nhiệt độ. Ví dụ đối với kim loại, độ dẫn nhiệt thường giảm khi nhiệt độ tăng (do sự tán xạ của electron). Với một số vật liệu như gốm hoặc khí, độ dẫn nhiệt có thể tăng nhẹ ở nhiệt độ cao.
Độ dày: Vật liệu càng dày thì nhiệt truyền qua càng khó, do quãng đường mà nhiệt phải truyền qua dài hơn. Độ dẫn nhiệt giảm khi lớp vật liệu dày được sử dụng làm cách nhiệt.
Diện tích tiếp xúc giữa hai vật càng lớn thì nhiệt truyền qua càng nhiều. Ví dụ: Một tấm kim loại lớn sẽ truyền nhiệt nhanh hơn một thanh nhỏ cùng vật liệu.
Trạng thái của vật chất
- Chất rắn: Độ dẫn nhiệt cao nhất vì các hạt phân tử liên kết chặt chẽ.
- Chất lỏng: Dẫn nhiệt kém hơn chất rắn.
- Chất khí: Độ dẫn nhiệt thấp nhất do các phân tử ở trạng thái tự do và khoảng cách giữa các hạt lớn.
Cấu trúc bề mặt vật liệu: Vật liệu có bề mặt nhẵn sẽ truyền nhiệt hiệu quả hơn so với bề mặt gồ ghề, vì bề mặt nhẵn tăng diện tích tiếp xúc với nguồn nhiệt.
Ứng dụng của dẫn nhiệt trong thực tế
Dẫn nhiệt là một hiện tượng quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp.
- Trong đời sống hàng ngày, dụng cụ nấu ăn như nồi, chảo thường được làm từ các vật liệu dẫn nhiệt tốt như nhôm và đồng để truyền nhiệt nhanh, giúp nấu chín thức ăn hiệu quả hơn.
- Trong ngành công nghiệp điện tử, các vật liệu như đồng, nhôm, và thậm chí kim cương được sử dụng để làm tản nhiệt cho các linh kiện như CPU, GPU, nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và không bị quá nóng.
Bên cạnh đó, trong công nghệ năng lượng, bạc và các vật liệu dẫn nhiệt cao được ứng dụng trong sản xuất pin năng lượng mặt trời, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Ngoài ra, các hệ thống sưởi và làm mát như điều hòa không khí, bộ tản nhiệt ô tô hay ống dẫn nước nóng cũng dựa vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu để truyền và phân phối nhiệt hiệu quả. Nhờ khả năng dẫn nhiệt, các vật liệu này đóng vai trò thiết yếu trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của các thiết bị và hệ thống trong cuộc sống hiện đại.
Dẫn nhiệt không chỉ là một hiện tượng vật lý đơn thuần mà còn là nền tảng cho nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong đời sống và công nghiệp. Từ việc nâng cao hiệu quả năng lượng đến bảo vệ các thiết bị điện tử, hiểu rõ về dẫn nhiệt và vật liệu dẫn nhiệt sẽ giúp chúng ta ứng dụng tối ưu vào sản xuất và phát triển bền vững.
