Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist das Vermögen eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases, Wärmeenergie zu transportieren. Die Geschwindigkeit, mit der beim Erwärmen eines Stoffes die Wärmeenergie von einem Teilchen auf das nächste weitergegeben wird, bestimmt die Wärmeleitfähigkeit.

Bei Festkörpern ist der Wärmestrom bzw. Wärmefluss in erster Näherung linear zum Temperaturunterschied an den beiden betrachteten Enden, der in Kelvin oder Grad Celsius gemessen wird. Der Wärmestrom selber wird in Joule pro Sekunde oder Watt angegeben, so dass die Einheit der Wärmeleitfähigkeit J/(K*s) bzw. W/K ist.

Für Festkörper-Materialien ist es auch möglich, die spezifische Wärmeleitfähigkeit anzugeben. Diese veranschaulicht man am besten anhand eines Quaders. Dessen eine Seite wird mit dem kalten Medium, dessen gegenüberliegende Seite mit dem warmen Medium verbunden. Die anderen Seiten werden möglichst gut wärmeisoliert. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ergibt sich dann aus der gemessenen Wärmeleitfähigkeit, indem man diese durch die Fläche der mit dem warmen bzw. kalten Medium verbundenen Quaderseite teilt, und mit dem Abstand der beiden Quaderseiten multipliziert. Die Einheit der spezifischen Wärmeleitfähigkeit ist somit J/(K*s*m) bzw. W/(K*m).

Bei Flüssigkeiten und Gasen variiert die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Strömungen und Turbulenzen in der Flüssigkeit oder im Gas. Bei flüssigkeitsbasierten Heizungs- oder Kühlungssystemen ergibt sich z.B. die Wärmeleitfähigkeit aus der spezifischen Wärmekapazität des strömenden Heizungs- oder Kühlmittels (etwa Wasser), multipliziert mit der Strömungsgeschwindigkeit.

Unterbindet man Strömungen und Turbulenzen, ist die verbleibende Wärmeleitfähigkeit der meisten Gase sehr gering. Dieses wird in vielen Isoliermaterialien (Glaswolle, Styropor etc.) ausgenutzt, die im wesentlichen aus Luft oder Gas bestehen, das vom umgebenden Festkörper am Zirkulieren gehindet wird.

Im Vakuum ist Wärmeleitung nur durch Wärmestrahlung möglich. Dieses wird zum Beispiel bei der Thermosflasche ausgenutzt, um eine sehr geringe Wärmeleitung zu erreichen. Um auch den Energietransport per Wärmestrahlung zu minimieren, sind die dem Vakuum zugewandten Flächen des zur Isolation verwendeten Glas- oder Stahlkörpers hochverspiegelt.

Als Faustregel gilt: Was elektrischen Strom gut leitet (Silber, Kupfer), leitet auch Wärme gut. Was Wärme schlecht leitet (Papier, Wolle), leitet auch elektrischen Strom schlecht.

Superfluide Flüssigkeiten, beispielsweise Helium-4 unter 1,6 K, haben hingegen eine (fast) unendliche Wärmeleitfähigkeit.