熱性質

電子熱傳導(electronic heat conduction)

為什麼最好的導熱體——銅、銀、鋁——同時也是最好的導電體?因為在金屬裡,那團搬運電流的自由電子雲,同時也搬運熱。這些鬆散的電子在整個晶體中漫遊,一個從熱端來的高速電子,會在冷端撞到哪就把多餘的能量交到哪。

金屬的價電子並不綁在個別原子上;它們形成一片自由漂流於晶格中的電子海。加熱一端,這些電子取得動能,迅速把它接駁到冷端,遠比遲鈍的晶格振動快。因為可移動的電子非常多,電子傳導在大多數金屬中遠遠壓過聲子的貢獻——銅約 400 W/m-K 的 k 幾乎全是電子性的。正是這同一批搬運電荷的自由電子,使得好的導電體同時是好的導熱體。

這種共用載體的圖像,由維德曼-法蘭茲定律量化。它也解釋了為什麼合金化(會散射電子、削減導電率)同時也削減導熱率:不鏽鋼這種重度合金化的金屬,導熱大約比純銅差 8 倍。誠實提醒:陶瓷與高分子裡幾乎沒有自由電子,所以這個機制缺席,搬熱的工作全落在聲子身上。

純銅導熱約 400 W/m-K,但加入鎳與鉻做成不鏽鋼後,掉到約 15——合金原子散射了那些同時搬運電流與熱的電子。

凡是散射傳導電子的東西,都會連同金屬的導電率一起削減它的導熱率。

電子傳導是金屬成為頂尖導熱體的原因,但它在絕緣體中缺席——別以為電的好絕緣體就是熱的好絕緣體,因為聲子照樣能把熱傳得很好(鑽石)。

又稱
electron thermal conduction電子導熱