재료의 열적 성질
순수 구리(실온의 열전도율 약 400 W/(m·K))에 아연을 약 30% 고용시킨 황동에서는 열전도율이 약 120 W/(m·K)로 낮아진다. 주된 이유는 무엇인가?
- A아연은 열을 거의 전달하지 않는 물질이므로, 그 부피만큼 열의 통로가 줄어들기 때문
- B고용에 의해 격자가 물러져서, 열의 대부분을 운반하는 포논의 속도가 크게 떨어지기 때문
- C용질 원자가 전도 전자를 산란시켜 평균 자유 행로가 짧아지고, 전기 전도도와 함께 열전도율이 낮아지기 때문
정답과 해설 보기
정답: C. 용질 원자가 전도 전자를 산란시켜 평균 자유 행로가 짧아지고, 전기 전도도와 함께 열전도율이 낮아지기 때문
금속의 열은 주로 전도 전자가 운반하므로, 열전도율은 전기 전도도와 거의 비례하며 비데만-프란츠 법칙으로 연결되어 있습니다. 구리 격자에 들어간 아연 원자는 원자 배열의 주기성을 흐트러뜨려 전자를 산란시키므로, 전자의 평균 자유 행로가 짧아져 황동의 전기 전도도는 순수 구리의 30% 정도가 됩니다. 열전도율도 마찬가지로 약 400에서 약 120 W/(m·K)로 낮아집니다. 아연 자체는 열전도율이 약 116 W/(m·K)인 금속으로, 열을 전달하지 않는 물질이 아닙니다. 금속에서는 포논이 운반하는 열이 원래 일부에 지나지 않으므로, 격자의 성질이 조금 바뀌어도 이만큼 큰 저하를 설명할 수 없습니다.