warmtegeleiding

Warmtegeleiding is de overdracht van thermische energie van een gebied met hogere temperatuur naar een gebied met lagere temperatuur zonder verplaatsing van de stof zelf. Het komt voor in alle fasen van de materie, maar is vooral kenmerkend voor vaste stoffen. De overdracht vindt plaats doordat deeltjes en hun trillingen energie van plek naar plek sturen, en in metalen ook door vrije elektronen die warmte snel kunnen transporteren.

De snelheid en efficiëntie van warmtegeleiding worden beschreven door de wet van Fourier: Q = -k ∇T. Hierbij is Q de warmteflux per oppervlakte (W/m2), ∇T de temperatuurgradiënt en k de thermische geleidbaarheid van het materiaal (eenheid W/m·K). Een hogere k betekent een betere geleiding. De thermische geleidbaarheid varieert sterk per materiaal: koper ≈ 400 W/m·K; water ≈ 0,6 W/m·K; polystyreen ≈ 0,04 W/m·K. In metalen dragen vrije elektronen aanzienlijk bij aan de geleiding, terwijl in isolatoren vooral de trillingen van het kristalrooster (fononen) sleutelrollen spelen.

Temperatuur en microstructuur beïnvloeden k; bij veel materialen neemt de geleiding met temperatuur toe of af, afhankelijk van het type materiaal en zijn interne structuur. Materialen kunnen anisotrop zijn, wat betekent dat k in de ene richting hoger of lager is dan in een andere. In de praktijk bepalen warmtegeleiding en de bijbehorende thermische weerstand mede de prestaties van isolatie, warmtewisselaars en elektronica. Bij contacten tussen materialen treden bovendien thermische contactweerstanden op.

Historisch gezien werd de wet van Fourier ontwikkeld door Joseph Fourier in de vroege 19e eeuw en vormt zij nog steeds de basis van veel berekeningen en ontwerpen in warmtegeleiding.