WÄRMELEITFÄHIGKEIT

Wärmeleitfähigkeit,

 

thẹrmische Leitfähigkeit, auch Wärmeleit|zahl, Formelzeichen λ, stoffspezifische physikalische Größe, die die Wärmeübertragung eines Stoffs durch Wärmeleitung beschreibt. Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffs ist definiert durch die Gleichung der stationären Wärmeleitung q = —λ grad T, d.h. als Proportionalitätsfaktor zwischen der Wärmestromdichte q und der räumlichen Änderung der Temperatur T (Temperaturgradient); das negative Vorzeichen bedeutet dabei einen Wärmestrom von höheren zu niedrigeren Temperaturen. λ gibt die Wärmemenge an, die im stationären Zustand je Sekunde durch eine Fläche von 1 m² fließt, wenn senkrecht dazu ein Temperaturgefälle von 1 K pro Meter herrscht. SI-Einheit der Wärmeleitfähigkeit ist W/(m · K).

 

Bei Gasen ist die Wärmeleitfähigkeit unter normalen Bedingungen sehr klein. Die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeisolierstoffen ist zwei- bis fünfmal, von Flüssigkeiten 5- bis 20-mal größer als die der Luft. Bei Festkörpern setzt sie sich zusammen aus der Wärmeleitfähigkeit der Atomrümpfe aufgrund von Gitterschwingungen und der Wärmeleitfähigkeit der Elektronen, die bei Metallen aufgrund der frei beweglichen Leitungselektronen dominiert. Den Zusammenhang zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen beschreibt das Wiedemann-Franz-Lorenz-Gesetz. Die Wärmeleitfähigkeit von Nichtleitern fällt allgemein nach einem Maximum bei tiefen Temperaturen proportional zu 1 / T und erreicht bereits unterhalb der Zimmertemperatur einen relativ kleinen konstanten Wert. - Als Wärmeleitungswiderstand einer Wand der Dicke δ und der Fläche A bezeichnet man die Größe R_L = δ / (λA ).

 

Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Stoffen stehen zahlreiche Verfahren zur Verfügung. Für feste Körper kann z. B. das Zwei-Platten-Verfahren eingesetzt werden. Dabei werden symmetrisch eine Heizplatte mit zwei Probenplatten des Materials und diese wiederum mit zwei Kühlplatten in Kontakt gebracht; aus der Temperaturdifferenz zwischen den Grenzflächen, dem Wärmestrom im stationären Zustand sowie der Geometrie der Anordnung wird die Wärmeleitfähigkeit berechnet. Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten lassen sich mit ähnlichen Verfahren bestimmen, wobei statt Probenplatten dünne Flüssigkeitslamellen zwischen Heiz- und Kühlkörper eingebracht werden. Die Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen erfolgt z. B. nach dem Heizdrahtverfahren, bei dem ein strombeheizter Platindraht in einem gasgefüllten Rohr ausgespannt ist, das sich in einem Bad konstanter Temperatur befindet; aus der Differenz zwischen Gleichgewichtstemperatur des Heizdrahtes und Badtemperatur, der Wärmeleistung des Drahts und den geometrischen Abmessungen wird die Wärmeleitfähigkeit des Gases abgeleitet.