Nuestros profesores nos hicieron aceptar (sin ninguna explicación) que el diamante conduce el calor mejor que el grafito. ¿Cuál es la razón detrás de este (supuesto) hecho?
¿Es un conductor térmico aún mejor que la plata?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?El diamante es uno de los mejores conductores térmicos conocidos, de hecho, el diamante es un mejor conductor térmico que muchos metales (conductividad térmica (W/m-K): aluminio=237, cobre=401, diamante=895). Los átomos de carbono en el diamante están hibridizados $\ce{sp^3}$ y cada átomo de carbono está unido a otros 4 átomos de carbono ubicados en los vértices de un tetraedro. Por lo tanto, la unión en el diamante es una red uniforme y continua tridimensional de enlaces simples (sigma) $\ce{C-C}$. En cambio, el grafito está formado por átomos de carbono hibridizados en $\ce{sp^2}$ que forman una red de enlaces sigma y pi bidimensional continua. Esta red bidimensional forma láminas de grafito, pero hay poca conexión entre las láminas, de hecho, la separación entre láminas es de aproximadamente ~3.4 angstroms. Esto nos lleva a sospechar que la conducción de calor en la lámina bidimensional de grafito sería superior al diamante, pero que la conducción de calor entre las láminas de grafito sería muy baja. De hecho, esta es una descripción exacta de la conducción térmica en el grafito. La conductividad térmica paralela a las láminas de grafito es de 1950, pero la conducción térmica perpendicular a la lámina es de 5.7. Por lo tanto, cuando consideramos la conducción térmica en todas las direcciones posibles (anisotrópica), el diamante sería superior al grafito.
Gran respuesta, pero me gustaría provocar: ¿Cómo es posible que el grafito sea tan malo para conducir calor, pero considerablemente bueno para conducir electricidad, mientras que el diamante es considerado un aislante? En otras palabras, ¿por qué es lo contrario, si en los metales estas dos propiedades suelen ser proporcionales?
Michael D. M. Dryden
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La respuesta de Ron es excelente, pero me gustaría tocar brevemente los mecanismos detrás de la conductividad térmica para poder racionalizar las diferencias entre el comportamiento del diamante, el grafito y los metales:
Hay dos formas en las que se transmite el calor a través de sólidos: los fonones y la conductividad electrónica. Esta última ocurre en sólidos eléctricamente conductores, donde los electrones de la banda de conducción pueden moverse libremente a través de la estructura, llevando consigo energía térmica. Este es un componente significativo de la conductividad térmica de los metales y explica parte de la conductividad en el plano del grafito. Los sólidos eléctricamente conductores tienden a ser buenos conductores de calor por esta razón, pero este modo de conducción no está disponible en el diamante.
Los fonones son muy complicados, pero conceptualmente, los fonones son ondas de vibraciones en la red de un sólido. (modos de vibración cuantizados, en realidad, pero no es importante para esto) La energía vibracional en una parte de un sólido se transmite a otras partes a través de fonones. Lo que limita la rapidez con la que se transfiere el calor en este mecanismo es la dispersión de fonones. Los fonones pueden dispersarse en muchas cosas diferentes: defectos cristalinos, impurezas, límites cristalinos, incluso en otros fonones. Es por esto que las sustancias cristalinas (como el diamante) tienden a tener una mayor conductividad térmica que las sustancias amorfas (como el vidrio o los polímeros) ya que los fonones se dispersan más cuando no tienen una estructura cristalina ordenada por la que viajar.
La razón por la que el diamante, en particular, es un excelente conductor de calor incluso en comparación con otros cristales bien ordenados se reduce a dos factores: la masa de los átomos de carbono y la fuerza de los enlaces que los conectan. No quiero entrar demasiado en los detalles, pero brevemente, al igual que un oscilador armónico tiene una frecuencia más alta con un resorte más fuerte (la fuerza de los enlaces C-C) y una masa más ligera (los átomos de C), el diamante puede soportar fonones de mayor energía. Esto significa que a una temperatura dada, habrá menos fonones cerca del límite del material presentes en el diamante que en un material con un límite más pequeño. Los detalles no son importantes, pero cuando los fonones cerca del límite interactúan, se dispersan de tal manera que los fonones no viajan a través de la estructura. Debido a que el límite del diamante es tan alto, la probabilidad de este tipo de dispersión es menor.
Los fonones y electrones se desplazan muy bien a lo largo de las láminas de grafeno del grafito, pero mal entre ellas, debido a las débiles interacciones entre capas y a la gran distancia entre las capas, lo que explica la anisotropía de sus conductividades térmica y electrónica.
Los metales exhiben ambos modos de conducción térmica en grados variables de importancia y conducen isotrópicamente ya que carecen de la estructura laminar del grafito.
