Lämmönjohtavuudet

Lämmönjohtavuudet voivat määritellä sen, kuinka helposti lämpö siirtyy materiaalin läpi, kun sen ja ympäristön välillä on lämpötilagradientti. Yleisimmin käytetty suure on lämmönjohtavuus k (myös λ), jonka yksikkö on W/(m·K). Suure kuvaa materiaalin kykyä siirtää lämpöä sekä lämpötilan muutoksen ja lämpövirran välistä suhdetta.

Periaatteessa lämmönjohtavuus liittyy Fourierin lakiin: J = -k ∇T, jossa J on lämpövirta tilavuusyksikköä kohti ja ∇T on lämpötilagradientti. Isotrooppisissa materiaaleissa k on skalaarinen suure; anisotrooppisissa materiaaleissa k on matriisi, jonka arvot voivat vaihdella suunnasta toiseen. Monissa komposiitteissa, kuitu- ja rakennusmateriaaleissa k voi riippua lämpötilasta ja kosteudesta.

Mittausmenetelmät jaetaan staattisiin (steady-state) ja aikasiirtomenetelmiin. Staattisiin mittauksiin kuuluu esimerkiksi guarded hot plate -menetelmä sekä lämpövirtausmittaus, joissa mitataan vakioeristeen läpi kulkeva lämpövirta. Aikasiirtomenetelmissä, kuten laser flash -analyysi (LFA) ja transient plane source -menetelmä (TPS), tarkkaillaan lämpötilan muutoksen nopeutta ja ratkaistaan k.

Arvot vaihtelevat huomattavasti materiaalista riippuen. Metallit ovat tyypillisesti satoja W/mK (esim. kupari noin 385 W/mK, alumiini noin 205 W/mK, teräs noin 50 W/mK). Rakennus- ja eristemateriaalit ovat paljon pienempiä: lasi noin 1–1,5 W/mK, puu noin 0,1–0,3 W/mK, polystyreeni- ja mineraalivillapohjaiset eristeet noin 0,03–0,05 W/mK. Kosteus, tiheys ja porousuus voivat merkittävästi vaikuttaa arvoihin yhteisrakenteissa.

Lämmönjohtuvuuden ohella käytetään usein käsitettä lämpöjohtavuuden ja tiheyden sekä lämpökapasiteetin yhdistetystä vaikutuksesta, jonka tulos on lämpöleviäisyys (diffusiviteetti) α = k/(ρ c), missä ρ on tiheys ja c on tilavuuskohtainen lämpökapasiteetti. Tämä kokonaisuus kuvastaa, kuinka nopeasti lämpö leviää aineen sisällä.