Värmeledning

Värmeledning är överföringen av termisk energi inom ett ämne eller mellan två berörda ytor som är i kontakt med varandra, till följd av en temperaturgradient. Denna form av värmeöverföring sker utan yttre massflöde och är en central mekanism för värmeutjämning i fasta ämnen, vätskor och gaser.

Huvudmodellen är Fourier's lag: j_q = -k ∇T, där j_q är värmeflödesdensiteten (W/m^2), ∇T är temperaturgradienten, och k är materialets värmeledningsförmåga (W/mK). I isotropa material är k en scalar; i anisotropa material kan ledningsförmågan vara en tensor.

Värmeledningen orsakas främst av två mekanismer: elektrontransport, särskilt i metaller, där fria elektroner överför energi snabbt, och i alla material även av jon- eller kristallgittervibrationer (fononer). I gaser förekommer värmeledning främst genom molekylära kollisioner och diffusion, medan strålning är en separat överföringsform.

Värmeledningsförmågan påverkas av temperatur, sammansättning, täthet, kristallstruktur och gränssnitt mot andra material. Olika material har mycket olika k: trä och luft har lågt k, metall har högt k, vilket gör dem bra eller dåliga som isolatorer respektive värmetäta ledare.

Användningar och relevans: design av byggnaders isolering, kylning av elektronik, termiska skikt som värmeisolerande beläggningar och termiska gränsskikt.

Gränssnitt och kontaktresistans kan påverka effektiv värmeöverföring mellan lager. Värmeledning skiljer sig från konvektion (massrörelse) och strålning; även i vakuum förekommer endast strålning, medan conduction kräver materia.