Способность металлов проводить теплоту при нагревании прямо пропорциональна их электропроводности. Это объясняется тем, что теплота в металле передается не столько колебательным движением атомов или ионов, сколько электронной средой. При нагревании кристалла атомы передают друг другу тепловые колебания. Этим они вносят свой вклад в передачу теплоты, но одновременно усиливают сопротивление движению электронов. Каждый электрон способен переносить примерно столько же энергии, сколько и волна при тепловых колебаниях, а так как электроны движутся примерно в 100 раз быстрее, то теплопроводность металла обусловлена в основном электронами.

Теплопроводность

В пламени или горячем газе молекулы движутся очень быстро. Когда они ударяются о грань кристалла, несколько атомов в месте столкновения получают ощутимый толчок. Они, в свою очередь, сообщают толчок своим соседям во внутренней части кристалла (как в цепочке шаров, соединенных пружинками). Колебания начинают распространяться в глубь металла. Если образец металла положить на горячую печку, то происходит следующее.

Атомы в верхнем слое поверхности печи колеблются очень сильно. Благодаря размашистым амплитудам своих колебаний они сталкиваются с ближайшими к ним атомами на поверхности кристалла и колебания будут передаваться от нагретого тела к холодному. Температура — мера средней кинетической энергии молекулы в газе или атома в кристалле. Если кристалл охлаждается, то они колеблются все слабее и слабее в прямой зависимости от температуры.

Теплопроводность

Рис. 1 Изменение теплопроводности твердых тел с температурой.

Тогда, может быть, удастся остановить всякое движение в кристалле, охладив его до абсолютного нуля? Нет, движение не прекратится и в этом случае. У всех твердых тел вблизи абсолютного нуля наблюдаются отклонения от прямой температурной зависимости. Кристаллы сохраняют некоторое количество кинетической энергии даже при абсолютном нуле. Это является следствием волновой природы материи. При температуре 0 К некоторые электроны поглощают тепловую энергию и переходят в более высокие квантовые состояния. Кинетическая энергия движения электронов, например, меди при 0 К эквивалентна кинетической энергии частиц обычного газа при 50 000 К.

Когда кристалл охлаждается, число волн, переносящих энергию колебательного движения, становится меньше. Можно было бы ожидать уменьшения теплопроводности. Однако по мере охлаждения твердого тела теплопроводность кристаллов сильно возрастает (рис. 1). Это объясняется тем, что волны, передаваемые атомами, затухают, но зато волны, возникающие в результате колебания электронов, распространяются на большое расстояние. Увеличение расстояния, проходимого волнами электрона, более чем компенсируют уменьшение набора волн; теплопроводность резко возрастает. Примерно при 40 К волны без рассеяния проходят через весь кристалл до его границ.

Что же происходит с металлом, когда его температура приближается к точке плавления? Если нагрев производить при постоянном давлении, то наблюдается явление теплового расширения: кусок металла увеличивается в объеме. Это вызвано следующим. Атомы в кристаллах все время в движении — они колеблются. Амплитуды этих колебаний растут вместе с температурой. Когда колеблется пара соседних атомов, их внутренние амплитуды (считая от равновесного положения) меньше, чем внешние. В результате расстояние между атомами увеличивается. Этим и объясняется тепловое расширение металлов, увеличивающееся с повышением температуры. Вблизи точки плавления колебания атомов особенно велики. Переход из твердого агрегатного состояния в жидкость резко меняет большинство свойств: пластичность, объем, нарушается структура. Пока весь металл не расплавится, температура остается неизменной. Теплота плавления тратится на разобщение атомов и перестройку их в более свободную структуру. Скрытая теплота плавления из-за большого различия в силах сцепления изменяется в широких пределах, от 2000 до 20 000 Дж/моль.

Объем большинства металлов при плавлении увеличивается примерно на 2-4%. Структура из плотнейшей упаковки переходит в менее плотную. Относительно небольшое увеличение объема означает, что и в жидком состоянии при температурах, близких к точке плавления, имеются построения с плотной упаковкой. Этот вывод подтверждается рентгеноструктурным анализом жидких металлов. Вблизи точки плавления атом окружен таким же количеством соседей, что и в твердом кристалле. Нарушен лишь дальний порядок, но в области ближнего порядка (применительно к соседним) соотношения в положении атомов сохраняются. Если в кристаллах, таких, например, как у висмута и галлия, имелась не плотнейшая упаковка, то объем металла при плавлении уменьшается, как у воды, для которой известно, что лед (твердое кристаллическое состояние) - имеет больший объем, чем жидкая вода.