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Wärmeleitfähigkeit


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

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

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

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit variiert mit der sie gibt also nur den Wärmefluss für Temperaturgradienten an. Für Metalle wird die W. bei Raumtemperatur (300 Kelvin ~ 27 Celsius) angegeben. Die höchste aller Feststoffe besitzt Diamant (2000-2500 W/mK) unter den Metallen ist es das Silber mit (429 W/mK).

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

Inhaltsverzeichnis

Beispiele


Baustoff W/(K*m)
Styropor 0 04
Holraumziegel K-3 0 41
Holraumziegel MAX 0 46
Holraumziegel Porotherm 0 37
Innenputz 3 35

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft Materials. Für einen Körper mit festen Abmessungen dementsprechend die (absolute) Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. Für Styroporplatte mit den Abmessungen 50 cm Breite m Höhe und 2 cm Tiefe ergibt beispielsweise:

Wärmeleitfähigkeit = spezifische Wärmeleitfähigkeit * Fläche /
<math>= 0 04\;\mathrm{W/(K \cdot m)} \cdot \mathrm{\frac{0 02\;m}} = 1\;\mathrm{W/K}</math>

Bei einem Kelvin Temparaturunterschied zwischen Ober Unterseite der Styroporplatte fließt also 1 Joule pro Sekunde durch die Platte.

Kehrwert und Beziehung zum Ohmschen Gesetz

Der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit ist der Wärmewiderstand :

Wärmewiderstand = 1/Wärmeleitfähigkeit

Berechnungen können analog zum Ohmschen Gesetz erfolgen. Dabei ist der elektrische Strom durch den Wärmestrom (Watt) zu ersetzen die elektrische Spannung durch den Temparaturunterschied (Kelvin). Um im zu bleiben: Wenn bei unsere Styroporplatte zwischen beiden Seiten ein Temparaturunterschied von 20 K dann ergibt sich ein Wärmestrom durch die von:

<math>\mathrm{Waermestrom = \frac{Temperaturunterschied}{Waermewiderstand} = \frac{20 K}{1\;\frac{W}{K}}=

Flüssigkeiten und Gase

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

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

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

Vakuum

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

Siehe auch

Phonon Gitterschwingung Debye-Temperatur

Weblinks



Bücher zum Thema Wärmeleitfähigkeit

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