શું તાપમાન વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતાને અસર કરે છે?
વિદ્યુતવાહકતાવાયતરીકે ઊભો રહે છેમૂળભૂત પરિમાણભૌતિકશાસ્ત્ર, રસાયણશાસ્ત્ર અને આધુનિક ઇજનેરીમાં, વિવિધ ક્ષેત્રોમાં નોંધપાત્ર અસરો ધરાવે છે,ઉચ્ચ-વોલ્યુમ ઉત્પાદનથી લઈને અતિ-ચોક્કસ માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક્સ સુધી. તેનું મહત્વપૂર્ણ મહત્વ અસંખ્ય વિદ્યુત અને થર્મલ સિસ્ટમ્સના પ્રદર્શન, કાર્યક્ષમતા અને વિશ્વસનીયતા સાથેના તેના સીધા સંબંધથી ઉદ્ભવે છે.
આ વિગતવાર વર્ણન વચ્ચેના જટિલ સંબંધને સમજવા માટે એક વ્યાપક માર્ગદર્શિકા તરીકે સેવા આપે છેવિદ્યુત વાહકતા (σ), થર્મલ વાહકતા(κ), અને તાપમાન (T). વધુમાં, આપણે વિવિધ સામગ્રી વર્ગોના વાહકતા વર્તણૂકોનું વ્યવસ્થિત રીતે અન્વેષણ કરીશું, જેમાં સામાન્ય વાહકથી લઈને ચાંદી, સોનું, તાંબુ, લોખંડ, દ્રાવણ અને રબર જેવા વિશિષ્ટ સેમિકન્ડક્ટર અને ઇન્સ્યુલેટરનો સમાવેશ થાય છે, જે સૈદ્ધાંતિક જ્ઞાન અને વાસ્તવિક દુનિયાના ઔદ્યોગિક ઉપયોગો વચ્ચેના અંતરને દૂર કરે છે.
આ વાંચન પૂર્ણ થયા પછી, તમને એક મજબૂત, સૂક્ષ્મ સમજ મળશેનાઆતાપમાન, વાહકતા અને ગરમીનો સંબંધ.
અનુક્રમણિકા:
૧. શું તાપમાન વિદ્યુત વાહકતાને અસર કરે છે?
2. શું તાપમાન થર્મલ વાહકતાને અસર કરે છે?
૩. વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચેનો સંબંધ
4. વાહકતા વિરુદ્ધ ક્લોરાઇડ: મુખ્ય તફાવતો
I. શું તાપમાન વિદ્યુત વાહકતાને અસર કરે છે?
"શું તાપમાન વાહકતાને અસર કરે છે?" આ પ્રશ્નનો જવાબ ચોક્કસ રીતે આપવામાં આવે છે: હા.તાપમાન વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા બંને પર મહત્વપૂર્ણ, સામગ્રી-આધારિત પ્રભાવ પાડે છે.પાવર ટ્રાન્સમિશનથી લઈને સેન્સર ઓપરેશન સુધીના મહત્વપૂર્ણ એન્જિનિયરિંગ એપ્લિકેશનોમાં, તાપમાન અને વાહકતા સંબંધ ઘટક કામગીરી, કાર્યક્ષમતા માર્જિન અને ઓપરેશનલ સલામતી નક્કી કરે છે.
તાપમાન વાહકતાને કેવી રીતે અસર કરે છે?
તાપમાનમાં ફેરફાર કરીને વાહકતામાં ફેરફાર થાય છેકેટલી સરળતાથીઇલેક્ટ્રોન અથવા આયન જેવા ચાર્જ વાહકો અથવા ગરમી કોઈ પણ પદાર્થમાંથી પસાર થાય છે. દરેક પ્રકારના પદાર્થ માટે તેની અસર અલગ અલગ હોય છે. અહીં તે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તે સ્પષ્ટ રીતે સમજાવ્યું છે:
૧.ધાતુઓ: વધતા તાપમાન સાથે વાહકતા ઘટે છે
બધી ધાતુઓ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા વહન કરે છે જે સામાન્ય તાપમાને સરળતાથી વહે છે. જ્યારે ગરમ થાય છે, ત્યારે ધાતુના પરમાણુઓ વધુ તીવ્રતાથી કંપન કરે છે. આ સ્પંદનો અવરોધો તરીકે કાર્ય કરે છે, ઇલેક્ટ્રોનને વિખેરી નાખે છે અને તેમના પ્રવાહને ધીમો પાડે છે.
ખાસ કરીને, તાપમાન વધતાં વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા સતત ઘટે છે. ઓરડાના તાપમાનની નજીક, વાહકતા સામાન્ય રીતે નીચે આવે છે૧°C તાપમાનમાં વધારો થતાં ~૦.૪%.તેનાથી વિપરીત,જ્યારે 80°C તાપમાનમાં વધારો થાય છે,ધાતુઓ ગુમાવે છે૨૫-૩૦%તેમની મૂળ વાહકતા.
આ સિદ્ધાંત ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયામાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, ગરમ વાતાવરણ વાયરિંગમાં સલામત વર્તમાન ક્ષમતા ઘટાડે છે અને ઠંડક પ્રણાલીઓમાં ગરમીનું વિસર્જન ઘટાડે છે.
2. સેમિકન્ડક્ટર્સમાં: તાપમાન સાથે વાહકતા વધે છે
સેમિકન્ડક્ટર્સ સામગ્રીની રચનામાં ચુસ્તપણે બંધાયેલા ઇલેક્ટ્રોનથી શરૂ થાય છે. નીચા તાપમાને, બહુ ઓછા લોકો પ્રવાહ વહન કરવા માટે ખસેડી શકે છે.જેમ જેમ તાપમાન વધે છે, ગરમી ઇલેક્ટ્રોનને મુક્ત થવા અને વહેવા માટે પૂરતી ઊર્જા આપે છે. તે જેટલું ગરમ થાય છે, તેટલા વધુ ચાર્જ કેરિયર્સ ઉપલબ્ધ થાય છે,વાહકતામાં ઘણો વધારો કરે છે.
વધુ સાહજિક શબ્દોમાં કહીએ તો, cઓન્ડક્ટિવિટી ઝડપથી વધે છે, ઘણીવાર લાક્ષણિક શ્રેણીમાં દર 10-15°C પર બમણી થાય છે.આ મધ્યમ ગરમીમાં કામગીરીમાં મદદ કરે છે પરંતુ જો ખૂબ ગરમી હોય (વધુ લીકેજ) તો સમસ્યાઓ ઊભી કરી શકે છે, ઉદાહરણ તરીકે, જો સેમિકન્ડક્ટરથી બનેલી ચિપને ઊંચા તાપમાને ગરમ કરવામાં આવે તો કમ્પ્યુટર ક્રેશ થઈ શકે છે.
3. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં (બેટરીમાં પ્રવાહી અથવા જેલ): ગરમી સાથે વાહકતા સુધરે છે
કેટલાક લોકોને આશ્ચર્ય થાય છે કે તાપમાન દ્રાવણની વિદ્યુત વાહકતા પર કેવી અસર કરે છે, અને અહીં આ વિભાગ છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ દ્રાવણમાંથી આયનોનું સંચાલન કરે છે, જ્યારે ઠંડા પ્રવાહીને જાડા અને સુસ્ત બનાવે છે, જેના પરિણામે આયનોની ગતિ ધીમી થાય છે. તાપમાન વધવાની સાથે, પ્રવાહી ઓછું ચીકણું બને છે, તેથી આયનો ઝડપથી ફેલાય છે અને ચાર્જ વધુ કાર્યક્ષમ રીતે વહન કરે છે.
એકંદરે, જ્યારે બધું જ તેની ટોચ પર પહોંચે છે ત્યારે વાહકતા 1°C દીઠ 2-3% વધે છે. જ્યારે તાપમાન 40°C થી વધુ વધે છે, ત્યારે વાહકતા ~30% ઘટી જાય છે.
તમે વાસ્તવિક દુનિયામાં આ સિદ્ધાંત શોધી શકો છો, જેમ કે બેટરી જેવી સિસ્ટમ ગરમીમાં ઝડપથી ચાર્જ થાય છે, પરંતુ જો વધુ ગરમ કરવામાં આવે તો નુકસાનનું જોખમ રહે છે.
II. શું તાપમાન થર્મલ વાહકતાને અસર કરે છે?
ગરમી વાહકતા, જે પદાર્થમાંથી ગરમી કેટલી સરળતાથી પસાર થાય છે તેનું માપ છે, તે સામાન્ય રીતે મોટાભાગના ઘન પદાર્થોમાં તાપમાન વધતાં ઘટે છે, જોકે તેનું વર્તન પદાર્થની રચના અને ગરમીના વહન કરવાની રીતના આધારે બદલાય છે.
ધાતુઓમાં, ગરમી મુખ્યત્વે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા વહે છે. જેમ જેમ તાપમાન વધે છે, તેમ તેમ અણુઓ વધુ મજબૂત રીતે કંપન કરે છે, આ ઇલેક્ટ્રોનને વિખેરી નાખે છે અને તેમના માર્ગને અવરોધે છે, જે સામગ્રીની ગરમીને કાર્યક્ષમ રીતે સ્થાનાંતરિત કરવાની ક્ષમતા ઘટાડે છે.
સ્ફટિકીય ઇન્સ્યુલેટરમાં, ગરમી ફોનોન્સ તરીકે ઓળખાતા અણુ સ્પંદનો દ્વારા પ્રવાસ કરે છે. ઊંચા તાપમાને આ સ્પંદનો તીવ્ર બને છે, જેના કારણે અણુઓ વચ્ચે વારંવાર અથડામણ થાય છે અને થર્મલ વાહકતામાં સ્પષ્ટ ઘટાડો થાય છે.
જોકે, વાયુઓમાં વિપરીત ઘટના બને છે. જેમ જેમ તાપમાન વધે છે, તેમ તેમ પરમાણુઓ ઝડપથી આગળ વધે છે અને વધુ વખત અથડાય છે, અથડામણો વચ્ચે ઊર્જાનું પરિવહન વધુ અસરકારક રીતે થાય છે; તેથી, થર્મલ વાહકતા વધે છે.
પોલિમર અને પ્રવાહીમાં, વધતા તાપમાન સાથે થોડો સુધારો સામાન્ય છે. ગરમ પરિસ્થિતિઓ પરમાણુ સાંકળોને વધુ મુક્તપણે ખસેડવા અને સ્નિગ્ધતા ઘટાડવાની મંજૂરી આપે છે, જેનાથી ગરમીને સામગ્રીમાંથી પસાર થવાનું સરળ બને છે.
III. વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચેનો સંબંધ
શું થર્મલ વાહકતા અને વિદ્યુત વાહકતા વચ્ચે કોઈ સંબંધ છે? તમને આ પ્રશ્ન પૂછવામાં આવશે. વાસ્તવમાં, વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચે મજબૂત જોડાણ છે, છતાં આ જોડાણ ફક્ત ધાતુઓ જેવા ચોક્કસ પ્રકારના પદાર્થો માટે જ અર્થપૂર્ણ બને છે.
૧. વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચેનો મજબૂત સંબંધ
શુદ્ધ ધાતુઓ (જેમ કે તાંબુ, ચાંદી અને સોનું) માટે, એક સરળ નિયમ લાગુ પડે છે:જો કોઈ પદાર્થ વીજળીનું સંચાલન કરવામાં ખૂબ જ સારો હોય, તો તે ગરમીનું સંચાલન કરવામાં પણ ખૂબ જ સારો હોય છે.આ સિદ્ધાંત ઇલેક્ટ્રોન-શેરિંગ ઘટનાના આધારે ચાલે છે.
ધાતુઓમાં, વીજળી અને ગરમી બંને મુખ્યત્વે સમાન કણો દ્વારા વહન કરવામાં આવે છે: મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન. આ જ કારણ છે કે ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતા ચોક્કસ કિસ્સાઓમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા તરફ દોરી જાય છે.
માટેઆવિદ્યુતપ્રવાહ,જ્યારે વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન એક દિશામાં ખસે છે, જે ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ વહન કરે છે.
જ્યારે વાત આવે છેઆગરમીપ્રવાહ, ધાતુનો એક છેડો ગરમ છે અને બીજો ઠંડો છે, અને આ જ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ગરમ પ્રદેશમાં ઝડપથી આગળ વધે છે અને ધીમા ઇલેક્ટ્રોન સાથે અથડાય છે, ઝડપથી ઠંડા પ્રદેશમાં ઊર્જા (ગરમી) સ્થાનાંતરિત કરે છે.
આ સહિયારી પદ્ધતિનો અર્થ એ છે કે જો કોઈ ધાતુમાં ઘણા બધા ખૂબ જ મોબાઇલ ઇલેક્ટ્રોન હોય (તેને એક ઉત્તમ વિદ્યુત વાહક બનાવે છે), તો તે ઇલેક્ટ્રોન કાર્યક્ષમ "ગરમી વાહકો" તરીકે પણ કાર્ય કરે છે, જેનું ઔપચારિક રીતે વર્ણન કરવામાં આવ્યું છેઆવિડેમેન-ફ્રાન્ઝકાયદો.
2. વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચેનો નબળો સંબંધ
જે પદાર્થોમાં ચાર્જ અને ગરમી વિવિધ પદ્ધતિઓ દ્વારા વહન કરવામાં આવે છે ત્યાં વિદ્યુત અને થર્મલ વાહકતા વચ્ચેનો સંબંધ નબળો પડે છે.
| સામગ્રીનો પ્રકાર | વિદ્યુત વાહકતા (σ) | થર્મલ વાહકતા (κ) | નિયમ નિષ્ફળ જવાનું કારણ |
| ઇન્સ્યુલેટર(દા.ત., રબર, કાચ) | ખૂબ ઓછું (σ≈0) | નીચું | વીજળી વહન કરવા માટે કોઈ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન અસ્તિત્વમાં નથી. ગરમી ફક્ત દ્વારા જ વહન કરવામાં આવે છેઅણુ સ્પંદનો(ધીમી સાંકળ પ્રતિક્રિયાની જેમ). |
| સેમિકન્ડક્ટર્સ(દા.ત., સિલિકોન) | મધ્યમ | મધ્યમથી ઉચ્ચ | ઇલેક્ટ્રોન અને અણુ સ્પંદનો બંને ગરમી વહન કરે છે. તાપમાન તેમની સંખ્યાને જે જટિલ રીતે અસર કરે છે તે સરળ ધાતુના નિયમને અવિશ્વસનીય બનાવે છે. |
| ડાયમંડ | ખૂબ ઓછું (σ≈0) | અત્યંત ઉચ્ચ(κ વિશ્વ-અગ્રણી છે) | હીરામાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન નથી (તે એક ઇન્સ્યુલેટર છે), પરંતુ તેની સંપૂર્ણ કઠોર અણુ રચના અણુ સ્પંદનોને ગરમી સ્થાનાંતરિત કરવાની મંજૂરી આપે છે.અપવાદરૂપે ઝડપી. આ સૌથી પ્રખ્યાત ઉદાહરણ છે જ્યાં કોઈ સામગ્રી વિદ્યુત નિષ્ફળતા છે પણ થર્મલ ચેમ્પિયન છે. |
IV. વાહકતા વિરુદ્ધ ક્લોરાઇડ: મુખ્ય તફાવતો
જ્યારે વિદ્યુત વાહકતા અને ક્લોરાઇડ સાંદ્રતા બંને મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો છેપાણીની ગુણવત્તા વિશ્લેષણ, તેઓ મૂળભૂત રીતે અલગ ગુણધર્મોને માપે છે.
વાહકતા
વાહકતા એ દ્રાવણની વિદ્યુત પ્રવાહ પ્રસારિત કરવાની ક્ષમતાનું માપ છે. It માપે છેબધા ઓગળેલા આયનોની કુલ સાંદ્રતાપાણીમાં, જેમાં ધન ચાર્જ આયનો (કેશન) અને ઋણ ચાર્જ આયનો (ઋણ આયન)નો સમાવેશ થાય છે.
બધા આયનો, જેમ કે ક્લોરાઇડ (Cl-), સોડિયમ (Na+), કેલ્શિયમ (Ca2+), બાયકાર્બોનેટ અને સલ્ફેટ, કુલ વાહકતા m માં ફાળો આપે છેમાઇક્રોસીમેન્સ પ્રતિ સેન્ટીમીટર (µS/cm) અથવા મિલીસીમેન્સ પ્રતિ સેન્ટીમીટર (mS/cm) માં માપવામાં આવે છે.
વાહકતા એક ઝડપી, સામાન્ય સૂચક છેનાકુલઓગળેલા ઘન પદાર્થો(TDS) અને એકંદર પાણીની શુદ્ધતા અથવા ખારાશ.
ક્લોરાઇડ સાંદ્રતા (Cl-)
ક્લોરાઇડ સાંદ્રતા એ દ્રાવણમાં હાજર ક્લોરાઇડ આયનનું ચોક્કસ માપ છે.તે માપે છેફક્ત ક્લોરાઇડ આયનોનું દળ(ક્લ-) હાજર હોય છે, જે ઘણીવાર સોડિયમ ક્લોરાઇડ (NaCl) અથવા કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ (CaCl) જેવા ક્ષારમાંથી મેળવવામાં આવે છે2).
આ માપન ટાઇટ્રેશન (દા.ત., આર્જેન્ટોમેટ્રિક પદ્ધતિ) અથવા આયન-પસંદગીયુક્ત ઇલેક્ટ્રોડ્સ (ISEs) જેવી ચોક્કસ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે.મિલિગ્રામ પ્રતિ લિટર (mg/L) અથવા ભાગો પ્રતિ મિલિયન (ppm) માં.
ઔદ્યોગિક પ્રણાલીઓ (જેમ કે બોઈલર અથવા કૂલિંગ ટાવર) માં કાટ લાગવાની સંભાવનાનું મૂલ્યાંકન કરવા અને પીવાના પાણીના પુરવઠામાં ખારાશના ઘૂસણખોરીનું નિરીક્ષણ કરવા માટે ક્લોરાઇડનું સ્તર મહત્વપૂર્ણ છે.
ટૂંકમાં, ક્લોરાઇડ વાહકતામાં ફાળો આપે છે, પરંતુ વાહકતા ક્લોરાઇડ માટે વિશિષ્ટ નથી.જો ક્લોરાઇડનું પ્રમાણ વધે, તો કુલ વાહકતા વધશે.જોકે, જો કુલ વાહકતા વધે છે, તો તે ક્લોરાઇડ, સલ્ફેટ, સોડિયમ અથવા અન્ય આયનોના કોઈપણ સંયોજનમાં વધારો થવાને કારણે હોઈ શકે છે.
તેથી, વાહકતા એક ઉપયોગી સ્ક્રીનીંગ સાધન તરીકે કામ કરે છે (દા.ત., જો વાહકતા ઓછી હોય, તો ક્લોરાઇડ ઓછી હોવાની શક્યતા છે), પરંતુ ખાસ કરીને કાટ અથવા નિયમનકારી હેતુઓ માટે ક્લોરાઇડનું નિરીક્ષણ કરવા માટે, લક્ષિત રાસાયણિક પરીક્ષણનો ઉપયોગ કરવો આવશ્યક છે.
પોસ્ટ સમય: નવેમ્બર-૧૪-૨૦૨૫