lämpöjohtamista

Lämpöjohtaminen on lämmön siirtymistä aineen sisällä tai sen rajapinnoilla johtumalla lämpötilagradientin suuntaisesti. Prosessi edellyttää lämpötilojen eroa ja sitä kautta tapahtuvaa energian siirtymistä materiaalissa. Lämpöjohtaminen on yksi kolmesta pääasiaisesta lämmönsiirron tavasta, muiden ollessa konvektio ja säteily. Se esiintyy sekä kiinteissä aineissa että nesteissä ja kaasuissa, erityisesti rakenteellisesti tai kantautuvissa järjestelmissä.

Peruslaki kuvastaa konduktiota Fourierin lain muodossa: q = -k ∇T. Siinä q on lämpövirta pinta-alayksikköä kohti (W/m^2), ∇T on lämpötila-gradientti ja k (tai λ) on materiaalin lämpöjohtavuus (W/m·K). Isotrooppisissa materiaaleissa k on skalaarinen arvo; anisotrooppisissa materiaaleissa k on tensorina. Lämpöjohtavuus voi muuttua lämpötilan, rakenteen ja epäpuhtauksien mukaan.

Lämpöjohtamisen mekanismit riippuvat materiaalityypistä. Metalleissa suurimman osan energiasta siirtävät vapaiden elektronien liikuttama lämpöenergia sekä fononien kautta tapahtuvaa siirto kiteisessä rakenteessa. Epämetalleissa ja eristeissä energia siirtyy pääasiassa fononien välityksellä. Kaasuihin lämpöjohtavuus on yleensä heikompaa, mutta riippuu paineesta ja lämpötilasta. Lämpöjohtavuus on lisäksi usein riippuvainen lämpötilasta ja materiaalin mikrorakenteesta sekä suuntaistettuina ominaisuuksina anisotrooppisissa aineissa.

Käytännössä lämpöjohtaminen vaikuttaa rakennusten eristyksen suunnitteluun, elektroniikan jäähdytykseen sekä moniin teollisiin prosesseihin. Materiaalivalinnoissa otetaan huomioon arvot kuten kuparin noin 385 W/m·K, teräksen noin 50 W/m·K, puun noin 0,1–0,2 W/m·K ja ilman noin 0,024 W/m·K. Lämpöjohtuvuuden mittauksia ja mallintamista käytetään sekä suunnittelussa että tutkimuksessa.