Temperaturleitfähigkeit

Temperaturleitfähigkeit, häufig als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet, ist eine Materialeigenschaft, die beschreibt, wie gut Wärme durch ein Material hindurchgeleitet wird. Sie wird mit dem Symbol k oder λ angegeben und hat die Einheit Watt pro Meter pro Kelvin (W/(m·K)).

In Festkörpern erfolgt die Wärmeleitung durch verschiedene Träger. In Metallen dominieren freie Elektronen den Wärmetransport, während in Nichtleitern vor allem Gitterschwingungen (Phononen) beteiligt sind. In Verbundwerkstoffen können beide Mechanismen zusammenwirken. Die grundlegende mathematische Beschreibung liefert das lineare Fourier-Gesetz: q = -k ∇T, wobei q der Wärmestrom pro Flächeneinheit ist und ∇T der Temperaturgradient.

Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit ist materialabhängig. Bei Metallen nimmt k tendenziell mit steigender Temperatur ab, weil Elektronen stärker gestreut werden. In vielen Nichtleitern steigt k mit zunehmender Temperatur, da mehr Phononen den Wärmetransport ermöglichen; bei sehr hohen Temperaturen nimmt der Phonentransport aufgrund weiterer Streuung wieder ab. In anisotropen Materialien kann k in verschiedenen Richtungen unterschiedlich groß sein, was eine tensorielle Leitfähigkeit bedeutet.

Messungen erfolgen durch stationäre Verfahren wie dem Guarded Hot Plate oder dem Wärmeflussmesser sowie durch transiente Methoden wie dem Hot-Wire- oder Laser-Flash-Verfahren. Typische Werte reichen von sehr klein in Luft (~0,024 W/(m·K)) über Werkstoffe wie Holz oder Polymere (ca. 0,1–0,5 W/(m·K)) bis zuMetallen (ca. 50–400 W/(m·K)) und sehr hoch leitenden Stoffen wie Diamant (bis über 1000 W/(m·K)).

Die Temperaturleitfähigkeit hängt eng mit der Wärmekapazität, der Dichte und dem volumetrischen Anteil an Trägern zusammen. Die Wärmediffusivität α wird als k/(ρ c) definiert, wobei ρ die Dichte und c die spezifische Wärmekapazität ist.