Thermische geleidbaarheid
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
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 conductie).
De warmtegeleidingscoëfficiënt is een afhankelijk van de temperatuur, dichtheid en het vochtgehalte. Hij wordt in het SI-stelsel uitgedrukt in (W/mK)[1].
Thermische isolatoren hebben een lage waarde van λ, geleiders een hoge. Dit gaat ten dele gelijk op met de elektrische geleidbaarheid. Metalen hebben bijvoorbeeld zowel thermisch als elektrisch een hoge geleidbaarheid. Dit komt omdat zij inwendig een elektronengas bezitten dat zowel warmte als lading transporteren kan. Er is echter een ander mechanisme dat een rol speelt, namelijk de collectieve trillingswijzen van het materiaal, de fononen. Vooral in een materiaal met sterke atoombindingen in alle richtingen en lichte atomen, zoals diamant leidt dit tot goede warmtegeleiding. In een dergelijk materiaal zijn de trillingwijzen volledig over het hele kristal uitgespreid (gedelocaliseerd). Omgekeerd is in materialen zoals aerogels de warmtegeleiding bar slecht. Deze stoffen hebben een fractale structuur. Hun trillingswijzen zijn daarom geen fononen maar fractonen. Dit soort trillingswijzen is van plaatselijke aard. De thermische energie kan daarom niet zo gemakkelijk naar de buuratomen doorgegeven worden.
Enkele cijfers[2]:
| stof | geleidbaarheid in W/mK (bij 293 K tenzij anders vermeld) |
|---|---|
| Metalen | |
| aluminium | 237 |
| goud | 310 |
| ijzer | 79 |
| koper | 390 |
| lood | 35 |
| nikkel | 92 |
| platina | 72 |
| zilver | 417 |
| zink | 116 |
| staal | 50 |
| roestvast staal | 16 - 27 |
| brons | 190 |
| messing | 122 |
| gadolinium | 10,6 |
| Vast | |
| diamant | 900 - 2320 |
| grafiet | 160 |
| kwarts | 0,22 |
| ijs (269 K) | 2,1 |
| glas | 0,8 - 0,9 |
| hout | 0,1 - 0,5 |
| beton | 0,2 - 20 |
| keukenzout | 0,045 - 0,06 |
| papier | 0,18 |
| polyetheen (PE) | 0,23 - 0,29 |
| polystyreen (PS) | 0,04 |
| minerale wol | 0,04 |
| porselein | 1,0 - 1,7 |
| asbest | 0,09 |
| aerogel | ca 0,017 |
| Vloeistof | |
| water | 0,60 |
| kwik | 10,4 |
| melk | 0,49 |
| methanol | 0,21 |
| aceton | 0,16 |
| chloroform | 0,12 |
| Gas (bij 273 K) | |
| lucht | 0,024 |
| waterdamp | 0,016 |
| aardgas (Gronings) | 0,029 |
| zuurstof | 0,025 |
| stikstof | 0,024 |
| waterstof | 0,174 |
| helium | 0,144 |
| neon | 0,046 |
| argon | 0,016 |
| chloor | 0,0076 |
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 spouwmuur, in gaatjes van een wollen trui, in glaswol, enz). Kan lucht echter bewegen, 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.
[bewerken] Temperatuursafhankelijkheid
De thermische geleidbaarheid is een functie van de temperatuur; vaak wordt dat verband lineair benaderd (onder de Debye-temperatuur geldt echter een andere afhankelijkheid):
-
- 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.
[bewerken] Analogie met elektriciteit
We definiëren de thermische weerstand door conductie van een plaat materiaal als 
, met L de dikte van de plaat, k de thermische conductie van die plaat, en A het oppervlak ervan.
Er gelden dan sterke analogieën met elektrische stroom, zie thermische weerstand.
[bewerken] Externe links
| Referenties: |
|
