Por que metais são bons condutores tanto de calor quanto de eletricidade?
Passo 1
Queremos entender por que metais apresentam alta condutividade elétrica e térmica. O conteúdo envolve o modelo de Drude (gás de elétrons livres) e a teoria de bandas cristalinas, que vamos usar para explicar a mobilidade dos elétrons e o transporte de energia.
Passo 2
No modelo de gás de elétrons livres (Drude), assumimos que os elétrons de valência ficam deslocalizados e se movem livremente por um retículo de íons metálicos fixos. Esses elétrons formam um “mar” de cargas negativas, enquanto os núcleos (cátions) constituem a rede cristalina.
Passo 3
Para condução elétrica, aplicamos um campo elétrico externo ,(E,) que faz os elétrons livres adquirirem uma velocidade média de deriva. A corrente elétrica ,(J,) é dada por:
onde ,n é a densidade de elétrons, e é a carga do elétron,
é a velocidade de deriva e
é a condutividade elétrica. A alta densidade de elétrons livres em metais resulta em
elevado.
Passo 4
No caso da condução térmica, esses mesmos elétrons livres carregam energia térmica ao se deslocarem de regiões mais quentes para mais frias. A condutividade térmica
dos metais também fica alta pela facilidade de transporte de energia cinética dos elétrons.
A relação entre e
nos metais é dada pela lei de Wiedemann–Franz:
A relação entre
onde
é a constante de Lorentz e
a temperatura. Essa lei confirma que qualquer metal que conduza bem eletricidade também conduzirá bem calor.
Passo 5
Portanto, o mesmo mecanismo (elétrons livres se movendo no retículo) é responsável por transportar carga elétrica e energia térmica de forma eficiente.
Resposta
Metais são bons condutores de eletricidade e calor porque possuem elétrons de valência delocalizados que se movem livremente pelo retículo iônico. Esses elétrons formam um “gás” que responde rapidamente a campos elétricos (alta condutividade elétrica) e transporta energia térmica ao se deslocar entre regiões frias e quentes (alta condutividade térmica). A lei de Wiedemann–Franz evidencia a estreita relação entre esses dois processos.