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?

  1. A아연은 열을 거의 전달하지 않는 물질이므로, 그 부피만큼 열의 통로가 줄어들기 때문
  2. B고용에 의해 격자가 물러져서, 열의 대부분을 운반하는 포논의 속도가 크게 떨어지기 때문
  3. C용질 원자가 전도 전자를 산란시켜 평균 자유 행로가 짧아지고, 전기 전도도와 함께 열전도율이 낮아지기 때문
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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.

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