Wärmeleitung

Als Wärmeleitung wird der Wärmeübertragungsvorgang bezeichnet, bei dem thermische Energie durch die Interaktion zwischen den Atomen oder Molekülen eines Stoffes von einem Punkt zu einem anderen übertragen wird. Wärmeleitung tritt in Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen auf.

Die Wärmeleitung ist nicht mit irgendeiner Volumenbewegung der Materie verbunden. Gase übertragen Wärme durch direkte Kollision energiegeladener Moleküle, und ihre Wärmeleitfähigkeit ist im Vergleich mit Feststoffen gering, da sie verdünnte Medien sind. Energie wird in Flüssigkeiten im Prinzip genau wie in Gasen übertragen, doch ist die Situation wesentlich komplexer, da die Moleküle sich in einem geringeren Abstand zueinander befinden und die molekularen Kraftfelder bei den Kollisionen einen starken Einfluss auf die Energieübertragung ausüben. Da nichtmetallische Feststoffe die Wärme durch Gitterschwingungen übertragen, findet bei der Wärmeübertragung keine Bewegung der Materie statt. Bei normalen Temperaturen leiten Metalle Energie besser als Nichtmetalle, da sie freie Elektronen besitzen, die Wärmeenergie übertragen.

Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung folgt dem Fourierschen Gesetz. Danach ist der Wärmestrom QWärmeleitung proportional zur Wärmeübertragungsfläche (A) und zum Temperaturgradienten (dT/dx). Dies lässt sich mit folgender Gleichung wiedergeben:

QWärmeleitung = - K A (dT/dx)

Dabei ist K die Wärmeleitfähigkeit, die die Wärmeübertragungsfähigkeit eines Materials misst. K wird in W/m.oC oder (Btu/s)/in.oF gemessen. Für die unten gezeigte planare Schicht berechnet sich der Wärmestrom aus:

Q Wärmeleitung = - K A ( T H - T C )/L

Diese Abbildung zeigt die Wertebereiche der Wärmeleitfähigkeit für Flüssigkeiten, nichtmetallische Feststoffe und reine Metalle bei normaler Temperatur und normalem Druck.

Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit (K)

Bei den meisten Materialien hat K bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Werte. K steigt bei Gasen bei niedrigem Druck mit der Temperatur, kann in Metallen oder Flüssigkeiten aber steigen oder fallen.

In der folgenden Tabelle wird die Wärmeleitfähigkeit (in W/m oK) ausgewählter Materialien bei verschiedenen Temperaturen (in oK) aufgelistet: