Thermische geleidbaarheid

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt (symbool λ) is een materiaalconstante die aangeeft hoe goed het materiaal warmte geleidt, het wordt dan ook gebruikt bij de Wet van Fourier (warmteoverdracht door geleiding).

De warmtegeleidingscoëfficiënt is afhankelijk van de temperatuur, dichtheid en het vochtgehalte. Hij wordt in het SI-stelsel uitgedrukt in W/(m·K) (de m staat hier voor meter).[1] De warmtegeleidingscoëfficiënt is ook te schrijven als (W*d)/(A*K), hierbij is d de dikte en A de oppervlakte van het materiaal.

Achtergrond[bewerken]

Thermische isolatoren hebben een lage waarde van λ, geleiders een hoge. Dit gaat ten dele gelijk op met de elektrische geleiding. Metalen hebben bijvoorbeeld zowel thermisch als elektrisch een hoge geleiding. Dit komt doordat zij inwendig een elektronengas bezitten dat zowel warmte als lading transporteren kan.

Ook de collectieve trillingswijzen van het materiaal, de fononen spelen een rol. Vooral een materiaal met sterke atoombindingen in alle richtingen en lichte atomen, zoals diamant geleidt warmte goed dankzij fononen. In een dergelijk materiaal zijn de trillingwijzen volledig over het hele kristal uitgespreid (gedelocaliseerd).

Omgekeerd is de warmtegeleiding slecht in materialen zoals aerogels. Deze stoffen hebben een fractale structuur. Hun trillingswijzen zijn daarom geen fononen maar fractonen. Dit soort trillingswijzen is van plaatselijke aard. De thermische energie (warmte) kan daarom niet zo gemakkelijk naar de buuratomen doorgegeven worden.

Het meten van thermische geleidbaarheid[bewerken]

Voor het meten van thermische geleidbaarheid zijn diverse meetinstrumenten ontwikkeld.

Heat Flow meters en Guarded Hot Plate voor isolatiematerialen[bewerken]

Voor grotere monsterafmetingen en warmtegeleidbaarheid van isolatiematerialen zijn de Guarded hot plates en Heat Flow meters bijzonder geschikt. Meetbereik is van 0,005 tot 0,50 W/mK.

Tabel van materialen[2][bewerken]

Stof Geleidbaarheid in W/(m*K) (bij 293 K tenzij anders vermeld, m = meter)
Metalen
zilver 417
koper 390
goud 310
aluminium 237
brons 190
messing 122
zink 116
nikkel 92
ijzer 79
platina 72
staal 50
lood 35
roestvast staal 16 - 27
gadolinium 10,6
kwik 10,4
Vast
diamant 900 - 2.320
grafiet 160
ijs (269 K) 2,1
porselein 1,0 - 1,7
glas 0,8 - 0,9
beton 0,2 - 20
hout 0,1 - 0,5
polyetheen (PE) 0,23 - 0,29
kwarts 0,22
papier 0,18
asbest 0,09
keukenzout 0,045 - 0,06
polystyreen (PS) 0,04
minerale wol 0,04
polyisocyanuraat (PIR) 0,023 – 0,026
resolhardschuim ca 0,021
aerogel ca 0,017
vloeistof
water 0,60
melk 0,49
methanol 0,21
aceton 0,16
chloroform 0,12
gas (bij 273 K)
waterstof 0,174
helium 0,144
neon 0,046
aardgas (Gronings) 0,029
zuurstof 0,025
stikstof 0,024
lucht 0,024
waterdamp 0,016
argon 0,016
krypton 0,0095
chloor 0,0076

Warmteisolatoren[bewerken]

Stoffen die een zeer slechte warmtegeleiding hebben heten (warmte)isolatoren. Stilstaande lucht is een erg goede isolator, vandaar dat het vaak als isolatie gebruikt wordt (in een spouwmuur, in gaatjes van een wollen trui, in glaswol, enzovoorts). Kan lucht echter stromen, dan zal de warmte veel sneller doorgegeven worden door convectie. Schuimen zijn dan ook goede isolatoren, mits zij een gesloten celstructuur hebben. Zij bevatten dan een stationair gas. De mate van isolatie hangt af van het soort gas.

Temperatuursafhankelijkheid[bewerken]

De thermische geleidbaarheid is een functie van de temperatuur; vaak wordt dat verband lineair benaderd (onder de Debye-temperatuur geldt echter een andere afhankelijkheid):

 k= k_0 (1 + a T) \!

hierin is:

  • k0 de geleidbaarheid bij nul graden Celsius
  • a een constante afhankelijk van het materiaal
  • T de temperatuur (in graden Celsius)

a is positief voor isolatoren, en negatief voor geleiders; dus bij stijgende temperatuur verliest een isolator van zijn isolerende kracht, en een geleider van zijn geleidende kracht.

Analogie met elektriciteit[bewerken]

We bepalen de thermische weerstand door de dikte van een plaat te delen door de geleidbaarheid (conductie) van het materiaal;

R=\frac{d}{\lambda }
R in m2K/W
d de dikte in m van de plaat
λ de thermische conductie in W/mK van die plaat.

Als we nu het oppervlak van de plaat delen door de weerstand dan krijgen we het vermogen in Watt dat per graad temperatuurverschil door de plaat zal gaan.

\frac{P}{T}=\frac{A}{R }
in W/K

Dit kan natuurlijk ook direct:

\frac{P}{T}=\frac{A*\lambda}{d }

Er gelden dan sterke analogieën met elektrische stroom, zie thermische weerstand.


Bronnen, noten en/of referenties
  1. Bouwfysica 1. Vakgroep Bouwfysica TH-Delft, Delftse Uitgevers Maatschappij, 1984, ISBN 9065620486
  2. Reed Business Information: Polytechnisch Zakboek, versie 2004.