چرا فلز همیشه سردتر از چوب است؟

گاهی اوقات مسائلی که به‌طور روزمره با آن‌ها مواجه می‌شویم بسیار گیج‌کننده‌ هستند. احتمالا از بچگی به این فکر کرده‌اید که چرا در روزهای سرد فلز بسیار سردتر از چوب است یا چرا کیک نسبت به قالب کیک که در آن پخته شده است، گرمای کمتری دارد.

تصور کنید در فضای بیرون قدم می‌زنید با درخت و چراغ برق مواجه می‌شوید. از نظر تئوری، آن‌ها باید دما‌ی یکسانی داشته باشند، با‌این‌حال تقریباً به‌طور غریزی می‌دانیم که چراغ برق خیابان هنگام لمس سردتر از درخت احساس می‌شود. سرنخ در همین عبارت است: فلز سردتر احساس می‌شود؛ اما به معنای واقعی کلمه سردتر نیست.

دِرِک مولر، مصاحبه‌گر علمی و مجری تلویزیون استرالیایی، در ویدئویی در سال ۲۰۱۲ در کانال یوتیوب وریتاسیوم توضیح داد: «وقتی چیزی را لمس می‌کنید، در واقع دما را احساس نمی‌کنید. شما سرعت هدایت گرما را که به سمت شما می‌آید یا از شما دور می‌شود احساس می‌کنید.» به عبارت دیگر تفاوت نه در دمای فلز و چوب، بلکه در «رسانندگی گرمایی» است.

مولر برای نشان‌دادن مفهوم رسانندگی گرمایی، از مردم دعوت کرد تا دمای یک کتاب و یک هارد دیسک را مقایسه کنند و با استفاده از دماسنج مادون قرمز تأیید کرد که دمای یکسانی دارند. همان‌طور که ممکن است انتظار داشته باشید، همه گفتند کتاب گرم‌تر است و حتی برخی پس از اینکه مولر حقیقت را فاش کرد، او را به دروغگویی متهم کردند.

اما همیشه فلز سردتر به‌نظر نمی‌رسد و ممکن است به دلیل رسانندگی گرمایی برعکس عمل کند. برای مثال، اگر به یاد داشته باشید سرسره در کودکی ما همیشه در تابستان بسیار داغ احساس می‌شد و نشستن روی صندلی‌های پلاستیکی تاب قابل‌تحمل‌تر از سر خوردن روی سرسره‌ بود. علت این است که فلز رسانای گرمای بهتری از پلاستیک است. اگر خاطرات بچگی یادتان نیست، درصورتی که تاکنون کیک پخته باشید، می‌دانید که قالب فلزی کیک داغ‌تر از کیک درون آن احساس می‌‌شود؛ زیرا فلز رسانای بسیار بهتری نسبت به کیک است و درنتیجه انرژی حرارتی را بسیار موثرتر به دست منتقل می‌کند.

رسانش گرمایی ممکن است به نتایج غیرقابل‌درک منجر شود. مولر آزمایشی با استفاده از یک بلوک پلاستیکی، یک بلوک آلومینیومی و دو تکه یخ انجام داد. مولر دو تکه یخ را درون بشقاب‌هایی روی بلوک پلاستیکی و بلوک آلمینیومی قرار داد و از داوطلبان پرسید کدام‌یک زودتر یخ را ذوب می‌کند؟ همه به او پاسخ دادند که آلومینیوم سردتر از پلاستیک است؛ پس جای تعجب نیست که افراد تصور کردند یخ روی آلومینیوم که سردتر است، جامد باقی می‌ماند و روی پلاستیک که گرم‌تر است، ذوب می‌شود. اما در عوض دقیقا برعکس این اتفاق رخ داد.

چرا یخ روی بلوک آلومینیومی زودتر ذوب شد؟ مولر توضیح داد: «بلوک آلومینیومی یخ را سریع‌تر از بلوک پلاستیکی ذوب می‌کند، زیرا گرما را سریع‌تر به تکه یخ می‌رساند.» پلاستیک نسبت به آلومینیوم رسانای حرارتی بدتری است، پس گرما با سرعت کمتری به بلوک یخ منتقل می‌شود. بنابراین یخ سرد می‌ماند و دیرتر ذوب می‌شود.

فلز می‌تواند بسیار سردتر یا داغ‌تر از سایر مواد با دمای یکسان احساس شود؛ زیرا معمولا رسانای گرمایی بسیار بهتری نسبت به سایر اجسام است. اما چه چیزی در فلز این خاصیت را ایجاد می‌کند. درک رسانش گرمایی به ما کمک می‌کند تا متوجه شویم چرا فلز رسانایی بالایی دارد. اگر خیلی دقیق و علمی به مفهوم گرما توجه کنیم متوجه می‌شویم که در واقع گرما روش دیگری برای بیان «حرکت» است.

زمانی که ماده‌ای انرژی گرمایی جذب می‌کند، انرژی گرمایی جذب شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و باعث حرکت اتم‌ها می‌شود. اما از آنجایی که اتم‌های جامدات فضای زیادی برای حرکت ندارند، شروع به ارتعاش می‌کنند و اتم‌هایی که مستقیماً در معرض گرما قرار می‌گیرند جنبش زیادی دارند که باعث می‌شود به اتم‌های مجاور برخورد کنند. این برخورد، اتم‌های دیگر را برانگیخته می‌کند و آن‌ها نیز شروع به ارتعاش می‌کنند. همان‌طور که این اتفاق می‌افتد و جنبش به حرکت از قسمت گرم به قسمت سرد ماده ادامه می‌دهد، گرما نیز شروع به حرکت بیشتر به سمت دیگر می‌کند. به نوعی مانند موجی است که از برخورد سنگریزه‌ای به سطح حوضچه پخش می‌شود.

این واقعیت که چوب ترکیبی از مواد مختلف است، در رسانایی کم آن نقش دارد؛ چوب از سلولز، همی‌سلولز، لیگنین و تانن تشکیل شده است که بسته به درختی که چوب از آن تهیه شده، طیف وسیعی از عناصر در مقادیر مختلف دارد. وقتی ذرات با تغییرات در اجزا مواجه می‌شوند، پراکنده شده و از مسیر خود منحرف می‌شوند. در چوب اساساً هدایت حرارتی با حرکت ماده از جزئی به جز‌ء دیگر کم می‌شود.

پلاستیک مانند چوب نیست پس چرا رسانایی گرمایی کمتری نسبت به فلز دارد؟ پلاستیک ماده‌ای است که می‌تواند ساختارهای مولکولی منظم و متراکم و در‌عین‌حال رسانایی گرمایی نسبتاً کمی داشته باشد. آنچه واقعاً به فلز نسبت به پلاستیک برتری می‌دهد، الکترون‌های آزاد آن است.

وب‌سایت بی‌بی‌سی توضیح می‌دهد: «برخی از الکترون‌های یک قطعه فلز می‌توانند اتم‌های خود را ترک کنند و به‌عنوان الکترون‌های آزاد در فلز حرکت کنند. بخش‌هایی از اتم‌های فلزی که الکترون از آن‌ها جدا شده، اکنون دارای بار مثبت هستند و یون‌های فلزی نامیده می‌شوند. وقتی الکترون‌های آزاد انرژی گرمایی را جذب می‌کنند، بسیار سریع‌تر حرکت می‌کنند و وقتی الکترون‌های آزاد در فلز حرکت می‌کنند، به یون‌های فلزی برخورد می‌کنند. مقداری از انرژی جنبشی الکترون‌های آزاد توسط یون‌ها جذب می‌شود و سریع‌تر و با دامنه‌ی بیشتری ارتعاش می‌کنند.»

برای درک ساده‌تر اثر الکترون آزاد در رسانایی گرمایی فلز، تصور کنید که تعداد زیادی از مردم سوار متروی شلوغی شده‌اند. مطمئناً آن‌ها در حال تکان‌خوردن هستند، اما به‌طور کلی، برخورد مردم با یکدیگر به ضربه‌ای بزرگ نیاز دارد. مردم، مولکول‌های مواد ما هستند. حالا تصور کنید که هر فرد چند توپ شعبده‌بازی را با‌لا می‌اندازد. بلافاصله، تعداد برخوردها افزایش می‌یابد  و همین امر مانند زمانی است که شما الکترون‌های آزاد را به یک سیستم وارد کنید.

رسانایی گرمایی در مواد دارای الکترون آزاد، یعنی فلزات، بسیار سریع‌تر از رسانایی ناشی از انتقال ارتعاشات از اتم به اتم است. بنابراین، هدایت گرما در فلزات سریع‌تر از غیر‌فلزات اتفاق می‌افتد.

به‌طور خلاصه، پس چرا فلزات نسبت به غیر‌فلزات سردتر هستند؟ به این دلیل است که شما وقتی فلزات را لمس می‌کنید اصلاً دما را حس نمی‌کنید، بلکه احساس می‌کنید که مواد چقدر انرژی گرمایی را از بدن شما دور می‌کنند و فلزات، به لطف ترکیب مولکولی خاص خود، در انجام این کار عملکردی واقعاً خوب دارند.