Wärmeleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit, oft mit k bezeichnet, ist eine Materialkonstante, die angibt, wie gut Wärme durch ein Material hindurch transportiert wird. Sie verbindet den Wärmestrom q pro Flächeneinheit mit dem Temperaturgefälle ∇T über das Fourier'sche Gesetz: q = -k ∇T. Die Einheit ist Watt pro Meter pro Kelvin (W·m^-1·K^-1).

Die Wärmeleitfähigkeit entsteht aus verschiedenen Mechanismen: in festen Kristallen dominieren Elektronen und Gitterschwingungen (Phononen), in Flüssigkeiten und Gasen vor allem molekulare Diffusion und Gasbewegungen. Materialien können anisotrop sein, d. h., k variiert mit der Richtung, besonders in kristallinen oder geschichteten Strukturen. k hängt zudem stark von Temperatur, Porosität, Feuchte und Struktur ab; Dämmstoffe haben typischerweise geringe k-Werte, Metalle dagegen hohe Werte.

Typische Werte: Luft etwa 0,024 W·m^-1·K^-1, Wasser ca. 0,6 W·m^-1·K^-1, viele Metalle zwischen 15 und mehreren hundert W·m^-1·K^-1. Dämmstoffe liegen häufig unter 0,1 W·m^-1·K^-1. Die Temperaturabhängigkeit variiert stark zwischen Materialien; die relation zur thermischen Diffusivität α = k/(ρ c_p) beschreibt, wie schnell sich Wärme ausbreitet, wobei ρ die Dichte und c_p die spezifische Wärmekapazität ist.

Messmethoden umfassen statische Verfahren wie den Guarded Hot Plate- bzw. den Wärmestrommesser-Test sowie transiente Techniken wie die Laser-Flash-Analyse und die Transient-Plane-Source-Methode. Anwendungsgebiete liegen in der Gebäude- und Isolationsentwicklung, Elektronik- und Automobiltechnik sowie im Wärmeübertragungsdesign von Wärmeübertragern.