De thermische geleidbaarheid, thermische conductie of warmtegeleidingscoëfficiënt (symbool ) is een materiaalconstante die aangeeft hoe goed het materiaal warmte geleidt. De grootheid wordt onder meer gebruikt in de wet van Fourier (warmteoverdracht door geleiding). Een materiaal met een lagere waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt is een betere isolator.
De warmtegeleidingscoëfficiënt is een verhouding die als volgt bepaald wordt:
Hierin is
Het door het materiaal doorgelaten thermisch vermogen P kan - als de warmtegeleidingscoëfficiënt bekend is - als volgt bepaald worden:
Een dikke laag materiaal houdt de warmte dus beter tegen dan een dunnere laag, bij dezelfde waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt.
Thermische isolatoren hebben een lage waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt (), warmtegeleiders hebben een hoge waarde. 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 elektronenwolk bezitten die zowel warmte als elektrische 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 trillingswijzen volledig over het hele kristal uitgespreid (gedelokaliseerd).
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, i.e. warmte, kan daarom niet zo gemakkelijk naar de buuratomen doorgegeven worden.
Stof | Warmtegeleidingscoëfficiënt (lambda) in W/(m·K) (bij 293 K tenzij anders vermeld) |
---|---|
Metalen | |
zilver | 417 |
koper | 401 |
goud | 317 |
aluminium | 237 |
brons | 190 |
messing | 122 |
zink | 116 |
nikkel | 92 |
ijzer | 79 |
platina | 72 |
staal | 50 |
lood | 35 |
roestvast staal | [4] - 27 | 15
gadolinium | 10,6 |
kwik | 10,4 |
Vaste stoffen | |
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 |
schuimbeton | 0,09 |
hout | 0,1 - 0,5 |
polyetheen (PE) | 0,23 - 0,29 |
kwarts | 0,22 |
plexiglas | 0,19 |
papier | 0,18 |
asbest | 0,09 |
keukenzout | 0,045 - 0,06 |
polystyreen (PS) | 0,04 |
minerale wol | 0,04 |
polyisocyanuraat (PIR) | 0,019 – 0,026 |
resolhardschuim | ca. 0,021 |
aerogel | ca. 0,017 |
Vloeistoffen | |
water | 0,60 |
melk | 0,49 |
methanol | 0,21 |
aceton | 0,16 |
chloroform | 0,12 |
Gassen (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 |
Stadia van water | |
ijs (vaste stof bij 269 K) | 2,1 |
sneeuw (deeltjes van 0,1 to 0,5 g/cm3 bij 261 K) | 0,05–0,70 |
gelachtig water (H3O2) | [onbekend] |
water (vloeistof H2O bij 293 K) | 0,60 |
waterdamp (gas bij 273 K) | 0,016 |
Isolatiematerialen | |
isolatieschuim op petroleumbasis | |
EPS - geëxpandeerd polystyreen | [5] | 0,030 - 0,040
XPS - geëxtrudeerd polystyreenschuim | [5] | 0,027
UF - ureumformaldehydeschuim | [5] | 0,026 - 0,054
PUR - polyurethaanschuim | [5] | 0,019 - 0,035
PIR - polyisocyanuraatschuim | [5] | 0,0260
PF - fenolformaldehydeschuim | [5] | 0,018
Minerale (onbrandbare) isolatieproducten | |
geëxpandeerde klei | 0,10-0,16 |
vermiculiet | 0,05-0,08 |
calciumsilicaat | 0,046-0,05 |
cellenglas | 0,036-0,058 |
perliet | 0,35-0,050 |
steenwol | 0,033-0,40 |
glaswol | 0,032-0,040 |
vacuüm silicium | 0,004-0,008 |
aerogel | 0,004-0,028 |
Natuurlijke isolatieproducten | |
hout (platen) | 0,13-0,18 |
houtvezel | 0,10-0,18 |
mycelium (platen) | 0,058 |
stro | 0,056 |
gras | 0,041 |
kokosvezel | 0,040 |
hennep (-wol, -vezel) | 0,038-0,071 |
houtwol | 0,038-0,045 |
katoen | 0,038-0,042 |
kurk | 0,038-0,040 |
vlas (-vezel) | 0,038 |
cellulose (papiervlokken) | 0,036-0,070 |
schapenwol | 0,035-0,040 |
* (vereist aanvulling)
Stoffen die een zeer slechte warmtegeleiding hebben heten (warmte)isolatoren. Stilstaande lucht is een goede isolator, vandaar dat het voorheen vaak als enige werd gebruikt in een spouwmuur. Dat een wollen trui of glaswol goed isoleert, komt ook door de isolatie van stilstaande lucht. 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.
Stoffen die een zeer goede warmtegeleiding hebben worden warmtegeleiders genoemd. Warmtegeleiders worden met name gebruikt, zoals de naam al zegt, om warmte te geleiden. En dan om met name warmte af te voeren van de warmtebron.
Voorbeelden van vaste stof geleiders zijn koelplaten en koelelementen. In de praktijk ben je er niet altijd met een degelijke warmtegeleider. Zo is er bij het voorbeeld van het koelelement onvoldoende connectie met de bron om via geleiding warmte af te voeren. Het koelelement ligt als het ware er los tegen aan. Tussen de warmtebron en het koelelement wordt dan geleidende paste, in de vorm van koelpasta, toegevoegd die de contactvlakken tussen de twee materialen vergroot.
Een ander voorbeeld van een goede geleider is te zien bij een strijkijzer op hete kolen alsook de tegenwoordige normale elektrische strijkijzer die elektriciteit als warmtebron heeft.
De thermische geleidbaarheid is een functie van de temperatuur; vaak wordt dat verband lineair benaderd (onder de debye-temperatuur geldt echter een andere afhankelijkheid):
De constante is positief voor isolatoren, en negatief voor geleiders. Bij stijgende temperatuur vermindert van veel isolatoren het isolerend vermogen, en van geleiders het geleidende vermogen.
We bepalen de thermische weerstand door de dikte van een plaat te delen door de geleidbaarheid (conductie) van het materiaal:
met
Als we nu het oppervlak van de plaat delen door de weerstand, krijgen we het vermogen in watt dat per graad temperatuurverschil door de plaat zal gaan.
Dit kan natuurlijk ook direct:
Er gelden dan sterke analogieën met elektrische stroom, zie thermische weerstand.