熱性質
維德曼-法蘭茲定律(Wiedemann-Franz law)
/ VEE-deh-mahn FRANTS /
金屬裡藏著一個漂亮的捷徑:把金屬的熱傳導率除以它的導電率,在給定溫度下,銅、銀、金、鐵、鉛得到的數字幾乎都一樣。維德曼-法蘭茲定律(Wiedemann-Franz law)指出,好的導電體就是好的導熱體,而且比例固定、可預測,因為是同一批電子在做這兩件事。
此定律為 k / (sigma x T) = L,其中 k 是熱傳導率,sigma 是導電率,T 是絕對溫度,L 是羅倫茲數(Lorenz number)——一個近乎普世的常數,L 約 2.44 x 10^-8 W-ohm/K^2。重排後為 k = L x sigma x T。所以只要量測金屬的導電率,就能估計它的熱傳導率,不必另做熱實驗。它之所以成立,是因為兩條傳輸通道都乘坐在自由電子海上,而常數 L 由基本常數(電子電荷與波茲曼常數)導出。
要誠實面對它的限制:此定律對純金屬在室溫附近及以上成立得很好,該處電子散射是彈性的。它在中間的低溫區失效(該處散射性質改變),且它忽略了聲子對 k 的貢獻——這正是為什麼它對半導體與絕緣體嚴重失效,因為那裡搬運大部分熱的是聲子而非電子。把它當成金屬的絕佳經驗法則,而不是普世的自然律。
用銅的導電率(約 5.9 x 10^7 每 ohm-meter)在 300 K 估計它的熱傳導率:k = L x sigma x T = 2.44e-8 x 5.9e7 x 300,約為 432 W/m-K——與量測值 400 相當接近。
一個量測出的常數把金屬的兩種性質連在一起——但這只因為電子同時搬運兩者。
此定律對半導體與絕緣體失效,因為在那裡搬運大部分熱的是聲子而非電子——所以低導電率並不代表按比例的低導熱率(又是鑽石的例子)。
又稱
另見