Gute und schlechte Wärmeleiter in der Physik

Gute und schlechte Wärmeleiter in der Physik

Arten der Wärmeübertragung

Wir unterscheiden drei Arten der Wärmeübertragung:

  1. Wärmeleitung
  2. Wärmeströmung (Konvektion)
  3. Wärmestrahlung

Im Folgenden beschränken wir uns jedoch auf die Wärmeleitung. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist an feste Materie gebunden.

Grundlegendes über die Wärme

Alle stoffliche Substanz besteht aus Atomen oder Molekülen. Dies gilt für alle 3 Aggregatzustände, für fest, flüssig oder gasförmig. Bei Festkörpern sind die Atome oder Moleküle in einer engen Gitterstruktur geordnet und haben nur geringe Bewegungsmöglichkeiten. Es findet jedoch immer eine, wenn auch nur geringe, Bewegung dieser Stoffbausteine statt, deren Intensität stark temperaturabhängig ist. Nur am absoluten Nullpunkt, bei 0° K (Kelvin) oder -273,15 °C (Celsius) kommt diese Bewegung bei allen Körpern zum Stillstand. Dies gilt auch für die Stoffe, welche bei Raumtemperatur flüssig oder gasförmig sind.

Am absoluten Nullpunkt, bei -273,15 °C, werden alle Stoffe zu Festkörpern, ohne jegliche Bewegung ihrer Atome oder Moleküle.

Modellvorstellung der Wärmeleitung

Je höher die Temperatur ist, umso schneller bewegen sich auch die Teilchen. Bei Energiezufuhr in Form von Wärme bewegen sich die Atome oder Moleküle jedes Festkörpers schneller. Damit werden auch die Amplituden dieser Schwingungen größer. Die Teilchen stoßen mit ihren Nachbarmolekülen zusammen und veranlassen diese damit ebenfalls zu heftigeren Schwingungen mit größer werdenden Amplituden. Die Nachbarmoleküle geben wiederum ihre aufgenommene Energie weiter an ihre Nachbarteilchen. Auf diese Weise findet ein Energietransport in Form von Wärmeleitung statt.

Wichtige Kenngrößen der Wärmeleitung

Die wichtigsten Kenngrößen bei der Auslegung und Berechnung von Wärmeleitern sind:

  1. Die Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda) angegeben in W/m*K
  2. Die Querschnittsfläche A angegeben in m2
  3. Die Temperaturdifferez ∆T angegeben in K (Kelvin )
  4. Die Länge L des Leiters angegeben in m
  5. Der Wärmestrom Q in W (Watt)

Physikalisch stehen diese Größen in folgender Beziehung:

Q = 1/L * A * λ * ∆T (Q in W)

Wärmeleitfähigkeit λ

Die Wärmeleitfähigkeit λ ist eine wichtige Stoffeigenschaft von Festkörpern. Sie gibt den Wärmestrom in Watt an, die ein Körper bei einer Temeraturdifferenz von 1 K auf 1 m Länge transportieren kann. Diese λ-Werte sind in Tabellen für die verschiedenen Stoffe festgelegt:

Stoff             λ (W/m*K)

  • Aluminium    220
  • Kupfer          384
  • Silber           407
  • Stahl             45
  • Diamant     2300
  • Glas              0,75 – 1,0
  • Titan            22
  • Luft              0,024

Transportfähigkeit der Wärme verschiedener Stoffe im Vergleich zu Luft

  • Luft                          1
  • Mineralwolle              1,5
  • Styropor                   1,8
  • Kork, Federn              2
  • Papier                       5
  • Holz (je nach Art)      6-12
  • Wasser                     10
  • Isolierverglasung      35
  • Ziegel                      35
  • Stein                       40
  • Glas                        50
  • Stahlbeton              760
  • Stahl                      1.800
  • Aluminium              8.600
  • Kupfer                   16.600
  • Silber                    18.000

Fazit

Je höher der λ-Wert eines Stoffes desto besser ist dessen Wärmeleitfähigkeit. Stoffe mit hohem λ-Wert sind gute Wärmeleiter. Umgekehrt ist ein niedriger λ-Wert eines Stoffes ein Kennzeichen für dessen schlechte Wärmeleitfähigkeit. Daher haben Isolationsstoffe immer einen möglichst niedrigen λ-Wert.

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