varmeledningsevne

Varmeledningsevne er en størrelse som har en presis definisjon i fysikken. For å forstå denne definisjonen, må man først vite at varmefluksen (også kalt varmestrømtettheten) gjennom et material angir hvor mye varme som passerer et tverrsnittsareal per tid. Varmefluks har enheten W/m² der W står for watt og m for meter. Et materiale som er utsatt for en temperaturforskjell, for eksempel lav temperatur på undersiden og høy temperatur på oversiden, kan sies å utsettes for en temperaturgradient. I en slik temperaturgradient vil energi forflyttes fra høy temperatur til lav temperatur. Temperaturgradienten måles i K/m, der K står for kelvin. Forholdet mellom varmefluks og temperaturgradient uttrykkes ved hjelp av Fourierloven.

Dersom man måler varmefluksen J mellom de to endene av et materiale med lengde Δx (leses delta x) og temperaturforskjell ΔT, kan varmeledningsevnen defineres ved hjelp av formelen:

\[\kappa = -\frac{J \Delta x}{\Delta T}\]

Varmeledningsevnen angis her med κ, den greske bokstaven kappa, måles i W/(K·m), og er et mål på hvor godt et materiale kan lede varme. I noen sammenhenger brukes den greske bokstaven lambda (λ) som tegn for varmeledningsevne i stedet for κ, og den omtales som lambdaverdi.

I metaller som kobber er varmeledningsevnen høy, rundt 400 W/(K·m). Det skyldes de mange elektronene som lett kan forflyttes og bidra til transport av varme. Elektroner står derfor ofte for både ledning av elektrisk strøm og varme i et metall. De fleste metaller er både gode elektriske ledere og samtidig gode varmeledere. Dette uttrykkes i Wiedemann-Franzs lov.

I isolatorer er det få tilgjengelige elektroner, og derfor vil det være vibrasjoner i gitteret som står for varmeledningen. Disse elementære vibrasjonene kan oppfattes som partikler, fononer, som forplanter seg med lydens hastighet. Også vibrasjoner kan gi opphav til høy varmeledningsevne. I noen elektriske isolatorer, som for eksempel diamant, er varmeledningsevnen enda høyere enn i metaller. Diamant er en isolator som har varmeledningsevne over 1000 W/(K·m), og er dermed et av materialene med høyest varmeledningsevne.

Varmeledningsevnen til et materiale avhenger av hvor rent materialet er. Jo mer urenheter et krystallinsk materiale har, jo mindre blir varmeledningsevnen.

Krystallinitet har også mye å si for hvor god varmeleder et materiale er. Amorfe materialer, det vil si materialer som ikke har krystallinsk struktur, vil ofte ha en dårligere varmeledningsevne enn rent krystallinske materialer. Man lager gjerne krystallinske materialer ved å kjøle ned væsker. Dersom man kjøler væsken sakte ned slik at det danner en god krystall uten særlig defekter, vil denne kunne lede varme bedre enn dersom man kjøler den hurtig slik at det dannes et amorft materiale.

Varmeledningsevnen avhenger av materialets temperatur. I elektriske halvledere og isolatorer øker varmeledningsevnen med temperaturen ved lave temperaturer, noe som skyldes at gittervibrasjonene bidrar til at mer energi tas opp når temperaturen øker. Ved lave temperaturer vil også varmekapasiteten til materialet øke med temperaturen på omtrent samme måte som varmeledningsevnen. Ved høye temperaturer vil varmekapasiteten være konstant i henhold til Dulong og Petits lov, men den økende graden av fononer (gittervibrasjoner) som kolliderer gjør at varmeledningsevnen avtar med temperaturen.

Metaller følger Wiedemann-Franzs lov. I mange metaller avtar den elektriske ledningsevnen nokså sterkt med temperaturen, som kan føre til at også varmeledningsevnen avtar med temperaturen.

Dersom man blander sammen forskjellige materialer med ulik varmeledningsevne, vil den målte varmeledningsevnen til det sammensatte materialet avhenge av blandingsforholdet. For eksempel kan man lage et godt isolerende materiale ved å lage et porøst materiale som inneholder mye luft, siden luft er en dårlig varmeleder.

Noen materialer har ulik varmeledningsevne langs forskjellige retninger, og kalles derfor anisotrope varmeledere. Fiberarmerte materialer med lange tråder, som for eksempel armert plast eller treverk, har bedre varmeledning langs fibrene enn på tvers av dem.

• Fourierloven
• varme
• varmeledning
• elektroner
• fononer
• termisk konduktivitet
• Wiedemann-Franzs lov