lämpöjohtavuusyhtälöitä

Lämpöjohtavuus, eli terminen johtavuus, on materiaalin kykyä siirtää lämpöä. Sen mittayksikkö on W/(m·K). Lämpöjohtavuus kuvaa, kuinka tehokkaasti lämpö siirtyy materiaalissa lämpötilagradientin dT/dx suuntaan. Fyysisen peruslain mukaan lämpövirta q kulkee nopeudella q = -k dT/dx, jossa k on lämpöjohtavuus ja dT/dx on lämpötilan raja-arvon muutos. Lämpöjohtavuus on materiaalin ominaisuus ja riippuu sekä aineesta että sen tilasta.

Ominaisuus riippuu rakenteesta, koostumuksesta ja ympäristöstä. Metallien vapaat elektronit johtavat lämpöä tehokkaasti, kun taas eristeet ja orgaaniset aineet ovat huonompia johtimia. Lämpöjohtuvuuteen vaikuttavat lämpötilan lisäksi kosteuspitoisuus, tiheys ja mikroriippuvuudet kuten huokoskuvio ja epäpuhtaudet. Joillakin aineilla k on anisotrooppinen, eli johtavuus riippuu mittausakselista.

Yleisiä arvioita arvot:

- Metallit: hyvin suuret k-arvot (esim kupari noin 385 W/(m·K), alumiini noin 205 W/(m·K)).

- Kivimateriaalit, betoni: noin 1–2–kymmeniä W/(m·K) riippuen rakenteesta.

- Muovit ja puukomponentit: yleensä noin 0,1–0,5 W/(m·K).

- Eristeet (esim. hengittävät eristeet, hiili- tai kevyet materiaalit): usein alle 0,05–0,3 W/(m·K); jotkut erittäin kevyet eristeet voivat olla pienempiä.

- Erikoiseristeet kuten aerogelit: erittäin pienet, tyypillisesti 0,01–0,03 W/(m·K).

Lämpöjohtavuus liittyy läheisesti muihin termisiin suureisiin. Terminen diffuusiviteetti α määritellään α = k/(ρ c), jossa ρ on tiheys ja c on ominaislämpökapasiteetti. Tämä osoittaa, miten nopeasti lämpötila tasoittuu materiaalissa. Käytännön sovelluksissa k-arvoa käytetään suunnittelussa rakennusten eristysten, elektroniikan jäähdytyksen, käyttö- ja kuljetuslaitteiden sekä monien muiden teknisten järjestelmien optimoimiseksi. Mittaukset voivat olla vakiosuuntautuneita (steady-state) tai siirtymävaiheisia (transient), ja käytettyjä menetelmiä ovat muun muassa guarded hot plate -menetelmä, lämpövirtamenetelmä sekä transienttinen lämpöjohtavuuden mittaus.