¿Por qué los metales conducen la electricidad más rápido que el calor?

En el caso de la transferencia de calor, el cable se mantiene eléctricamente neutro, por lo que un electrón solo puede interactuar con otros electrones cercanos mediante colisiones, pero no tiene efecto sobre los electrones lejanos. Entonces, la señal sobre el aumento de temperatura (es decir, mayor velocidad térmica) viaja por colisiones de un electrón al siguiente. En el mejor de los casos, las colisiones aleatorias ocurren de tal manera que el siguiente electrón siempre viaja en la dirección correcta. Entonces, la información sobre el aumento de la temperatura puede viajar como máximo con una velocidad equivalente a la velocidad térmica de los electrones, que es de unos 100 km/s o 0,3% de la velocidad de la luz.

En el caso de la electricidad, empujas electrones adicionales en un lado del cable. Este exceso de carga hará que se forme un campo eléctrico que viaja a la velocidad de la luz. Entonces, este campo eléctrico puede afectar casi instantáneamente a todos los electrones en el cable, incluso a los electrones más alejados en el otro extremo del cable. Todos los electrones comenzarán a moverse en la misma dirección impulsados ​​por este campo eléctrico.

En resumen, la transferencia de calor es análoga a enviar un mensaje a través de una carrera de relevos, mientras que la transferencia de electricidad es equivalente a hacer trampa en esa carrera al llamar a la persona al otro lado de la línea con su teléfono y decirle el mensaje.

¿Por qué los metales conducen la electricidad más rápido que el calor?

Si por electricidad se refiere al flujo de corriente, entonces la pregunta solo tiene sentido (al menos para mí) en condiciones transitorias con respecto a qué tan rápido se establece el flujo de calor constante frente a qué tan rápido se establece el flujo de corriente constante, como se analiza a continuación. En condiciones de estado estacionario, es una comparación de manzanas y naranjas, ya que la corriente es la tasa de transporte de carga y el calor es la tasa de transferencia de energía.

Condiciones transitorias:

Tome un conductor de metal, un cable. En el momento t = 0, aplica una diferencia de voltaje entre los extremos del cable. Un campo eléctrico se establece casi instantáneamente y los electrones comienzan a moverse casi instantáneamente a través del conductor con una velocidad de deriva promedio. Entonces, la corriente es casi instantánea en todo el conductor.

Tome el mismo cable inicialmente a temperatura ambiente en todo momento. Los electrones móviles en el cable tendrán el mismo movimiento térmico aleatorio en todo el cable aproximadamente proporcional a la temperatura. Ahora, en el momento t = 0, establezca contacto entre un extremo del cable con una fuente de temperatura constante de alta temperatura con el otro extremo en contacto con una temperatura constante más baja igual a la temperatura ambiente. Aísle térmicamente la circunferencia del cable para evitar la transferencia de calor al aire circundante.

La diferencia de temperatura entre los extremos es análoga a la diferencia de potencial. El movimiento térmico aleatorio de los electrones cerca del extremo de alta temperatura aumentará. A través de colisiones con los electrones más alejados del extremo caliente, el aumento del movimiento térmico progresará hacia el extremo de temperatura más baja hasta que teóricamente se establezca un gradiente de temperatura lineal a lo largo del conductor. Sin embargo, a diferencia de la situación de la corriente, esta progresión del movimiento térmico no será instantánea como en el caso del movimiento colectivo de carga. Tomará tiempo.

Condiciones de estado estable:

La ecuación de flujo de calor estacionario aplicable es

La ecuación de flujo de corriente aplicable es

Las ecuaciones son aproximadamente análogas con la tasa de transferencia de calor.$\dot Q$análoga a la tasa de transporte de carga$I$, conductividad térmica$k_{t}$análogo a la conductividad eléctrica$k_e$y diferencia de temperatura$T_{H}-T_{L}$análoga a la diferencia de potencial$V_{H}-V_{L}$. La longitud y el área de la sección transversal del cable que se está$L$y$A$, respectivamente.

Pero la corriente y la tasa de transferencia de calor son cosas diferentes, por lo que se comparan manzanas con naranjas.

"Sin embargo, a diferencia de la situación de la corriente, esta progresión del movimiento térmico no será instantánea como en el caso del movimiento colectivo de la carga. Tomará tiempo". ¿Puede explicar esto un poco? ¿Por qué? Esta es la clave de mi pregunta.

Primero, el movimiento de los electrones en el caso del flujo de corriente es un movimiento colectivo, llamado velocidad de deriva, que es proporcional a la corriente. Ese movimiento se debe a la fuerza eléctrica unidireccional aplicada por el campo eléctrico a los electrones. Ese campo eléctrico viaja en el conductor cerca de la velocidad de la luz. Entonces todos los electrones inmediatamente comienzan a moverse.

Por otra parte, el movimiento térmico de los electrones cuando se calienta el conductor es aleatorio. No se mueven colectivamente a lo largo del conductor. Los electrones con alto movimiento térmico (velocidades aleatorias) cerca de la fuente de calor chocan con los electrones cercanos lejos de la fuente que tienen menos movimiento térmico (temperatura más baja) y transfieren energía cinética a esos electrones que elevan la temperatura del conductor más lejos de la fuente. Ellos a su vez chocan con los electrones cercanos a ellos y así sucesivamente hasta que el movimiento térmico de todos los electrones en el conductor aumenta elevando la temperatura. Todo esto lleva tiempo.

Mire el siguiente video que muestra cómo la temperatura de un conductor calentado aumenta lentamente a lo largo del conductor, como lo demuestra el color del conductor.

https://www.youtube.com/watch?v=y-ptY0YG9RI

Espero que esto ayude.

Suponga que tiene una manguera llena de agua y abra el grifo. Ves que el agua sale del extremo de la boquilla de la tubería casi de inmediato. El "empuje" del agua en el extremo del grifo alcanza el agua en el extremo de la boquilla a la velocidad del sonido en el agua --- más de 1000 pies por segundo. El agua que ingresa a la tubería en el grifo tarda mucho más en llegar al otro extremo. Viaja a unos pocos pies por segundo. Si el agua de la tubería estaba fría, y es un grifo de agua caliente el que has conectado, tienes que esperar más tiempo para que el agua caliente llegue a la boquilla. En un alambre, la "velocidad del sonido" para los electrones es la velocidad de la luz. A una corriente de un amperio, los electrones se desplazan a unas pocas pulgadas por segundo. Si no hay corriente real, el calor viaja solo por electrones calientes que golpean electrones fríos, y el calor viaja aún más lento.