imported>Debenben K (→Siehe auch: steht schon in der einleitung) |
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{{Dieser Artikel|behandelt die Stoffeigenschaft. | {{Dieser Artikel|behandelt die Stoffeigenschaft. Zu einer konkreten Geometrie oder einem Bauteil siehe [[Wärmewiderstand]].}} | ||
{{Infobox Physikalische Größe | {{Infobox Physikalische Größe | ||
| Name = Wärmeleitfähigkeit | | Name = Wärmeleitfähigkeit | ||
| Größenart = | | Größenart = | ||
| Formelzeichen = <math> \lambda,\, \kappa,\, k</math> | | Formelzeichen = <math> \lambda,\, \kappa,\, k</math> | ||
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| AbgeleitetVon = | | AbgeleitetVon = | ||
| SI = [[Watt (Einheit)|W]]/([[Meter|m]]·[[Kelvin|K]]) | | SI = [[Watt (Einheit)|W]]/([[Meter|m]]{{·}}[[Kelvin|K]]) | ||
| SI-Dimension = [[Masse (Physik)|M]]·[[Länge (Physik)|L]]·[[Zeit|T]]<sup>−3</sup>·[[Temperatur|Θ]]<sup>−1</sup> | | SI-Dimension = [[Masse (Physik)|M]]{{·}}[[Länge (Physik)|L]]{{·}}[[Zeit|T]]<sup>−3</sup>{{·}}[[Temperatur|Θ]]<sup>−1</sup> | ||
| cgs = | | cgs = | ||
| cgs | | cgs-Dimension = | ||
| Planck = | |||
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| Planck = | | Anglo = | ||
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| Astro = | | Anmerkungen = | ||
| Astro-Dimension = | | SieheAuch = | ||
| Anglo = | |||
| Anglo-Dimension = | |||
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Die '''Wärmeleitfähigkeit''', auch | Die '''Wärmeleitfähigkeit''', auch '''Wärmeleitzahl''' oder '''Wärmeleitkoeffizient''', ist eine [[Stoffeigenschaft]], die den [[Wärmestrom]] durch ein Material auf Grund der [[Wärmeleitung]] bestimmt. An der Wärmeleitfähigkeit lässt sich ablesen, wie gut ein Material Wärme leitet oder wie gut es sich zur [[Wärmedämmung]] eignet. Je niedriger der Wert der Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist die Wärmedämmung. Die Wärmeleitfähigkeit hat im [[Internationales Einheitensystem|SI-System]] die Einheit Watt pro Meter und Kelvin. | ||
Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Materialien steigt mit steigender Temperatur leicht an. An einem [[Phasenübergang]] oder [[Aggregatzustand]]sübergang (z. B. fest | Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Materialien steigt mit steigender Temperatur leicht an. An einem [[Phasenübergang]] oder [[Aggregatzustand]]sübergang (z. B. fest ↔ flüssig ↔ gasförmig) ändert sich die Leitfähigkeit allerdings meist stark und sprungartig. | ||
Aus der Wärmeleitfähigkeit kann durch Division mit der auf das Volumen bezogenen [[Wärmekapazität]] die [[Temperaturleitfähigkeit]] berechnet werden. Der [[Kehrwert]] der Wärmeleitfähigkeit ist der | Aus der Wärmeleitfähigkeit kann durch Division mit der auf das Volumen bezogenen [[Wärmekapazität]] die [[Temperaturleitfähigkeit]] berechnet werden. Der [[Kehrwert]] der Wärmeleitfähigkeit ist der (spezifische) [[Wärmewiderstand]]. | ||
== | == Definition == | ||
Unter Wärmeleitung versteht man den Transport von [[Wärme]] in einem Medium ''ohne'' Stofftransport (wie beispielsweise bei der [[Konvektion]]). | |||
Zur Definition der Größe „Wärmeleitfähigkeit“ stelle man sich zwei Wärmereservoirs vor, die die Temperaturen <math>T_1</math> und <math>T_2</math> haben (es gelte <math>T_1>T_2</math>), und durch eine ebene Wand eines bestimmten Materials voneinander getrennt sind. Die Eigenschaften des Materials sind an jedem Ort in seinem Inneren gleich und haben keine Vorzugsrichtung; das Material ist also [[Homogenität (Physik)|homogen]] und [[isotrop]]. Die Wand hat eine Dicke <math>l</math> und ist unendlich ausgedehnt. (In der Praxis genügt es, dass die Wand viel breiter und höher als dick ist.) Zwischen den beiden Reservoirs stellt sich ein konstanter Wärmestrom ein. Durch jedes beliebige Teilstück der Wand mit der Fläche <math>A</math> fließt dann der Wärmestrom <math>\dot Q</math>. | |||
Unter den genannten Voraussetzungen ist der Temperatur[[Gradient (Mathematik)|gradient]] über die gesamte Dicke der Wand hinweg konstant. Der Wärmestrom ist dann [[proportional]] zu | |||
* der Fläche <math>A</math> | |||
* der Temperaturdifferenz <math>\Delta T = T_1 - T_2</math> | |||
* und [[Reziproke Proportionalität|umgekehrt proportional]] zur Wanddicke <math>l</math> | |||
und hängt ansonsten nur von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums (Wandmaterials) ab. Daraus ergibt sich die Definitionsgleichung für die Wärmeleitfähigkeit: | |||
:<math>\lambda=\frac{\dot Q \cdot l}{A \cdot \Delta T}</math> | |||
: | Dieser Zusammenhang heißt auch [[Fouriersches Gesetz]]. Aus der Definition folgt sofort die Einheit der Wärmeleitfähigkeit: | ||
:<math>[\lambda]=\frac{[\dot Q] \cdot [l]}{[A] \cdot [\Delta T]}=\frac{\mathrm{W \cdot m}}{\mathrm{m^2 \cdot K}}=\mathrm {\frac {W}{m \cdot K}}</math> | |||
: | Im allgemeinen Fall reicht es nicht aus, nur eine [[Dimension (Mathematik)#Hamel-Dimension (Dimension eines Vektorraumes)|Dimension]] zu betrachten. Insbesondere ist der Temperaturverlauf nur in Ausnahmefällen [[Linearität (Physik)|linear]]. Die allgemeinere Formulierung lautet deshalb: | ||
= | :<math>\dot \mathbf q = - \lambda \cdot \mathrm{grad}\,T</math> | ||
In dieser Gleichung ist <math>\dot \mathbf q</math> die (vektorielle) [[Wärmestromdichte]]. Das negative Vorzeichen rührt daher, dass Wärme stets entlang des Temperatur''gefälles'' fließt, also entgegen dem Temperaturgradienten. | |||
== | === Tensordarstellung {{Anker|Wärmeleitfähigkeit als Tensor}} === | ||
{{ | Im allgemeinen [[Anisotropie|anisotropen]] Fall ist die Wärmeleitfähigkeit ein [[Tensor]] zweiter Stufe, wird also z. B. durch eine 3×3-[[Matrix (Mathematik)|Matrix]] beschrieben. So [[Wärmeleitung|leiten]] z. B. [[Holz]] und [[Schiefer]] in [[Faser]]richtung und ein [[Quarz]]kristall in Richtung der [[Optische Achse (Kristalloptik)|c-Achse]] die Wärme besser als quer dazu. Verläuft der Temperaturgradient schräg zu den Materialachsen, so weicht die Richtung des Wärmestromes von der des Gradienten ab. | ||
; Beispiel: Trockenes Kiefernholz mit einer Dichte von 0,45 g/cm³ hat parallel zur Faser eine Wärmeleitfähigkeit von 0,26 W/(m·K) und senkrecht dazu 0,11 W/(m·K).<ref name="LideSolids">{{CRC Handbook |Auflage=87 |Kapitel=12 |Startseite=204 }}</ref> Wählt man als z-Achse die Faserrichtung und die x- und y-Achsen senkrecht dazu, so kann man den Tensor der Wärmeleitfähigkeit als diagonale 3×3-Matrix schreiben: | |||
:<math>\lambda = \begin{pmatrix} 0{,}11 & 0 & 0 \\ 0 & 0{,}11 & 0 \\0 & 0 & 0{,}26\end{pmatrix} \, \frac{\mathrm{W}}{\mathrm{m}\cdot \mathrm{K}}</math> | |||
== Mechanismen der Wärmeleitung == | |||
{{Hauptartikel|Wärmeleitung}} | |||
Wärmeenergie kann außer durch Wärmeleitung auch durch Wärmestrahlung und [[Konvektion]] übertragen werden. | |||
Bei Stoffen mit hoher Wärmeleitung können diese Mechanismen in manchen Fällen vernachlässigt werden. | |||
Im Vakuum gibt es keine Wärmeleitung und keine Konvektion, nur Wärmestrahlung. Verspiegelte Oberflächen im Hochvakuum sind deshalb die besten Isolatoren gegen Wärmeflüsse.<ref name="books-VSX86dhZo78C-47">Walter J. Moore: ''Physikalische Chemie.'' Walter de Gruyter, 1986, ISBN 978-3-11-010979-5, S. 47 ({{Google Buch|BuchID=VSX86dhZo78C|Seite=47}}).</ref> | |||
In [[Metalle]]n können die [[Leitungselektronen]] neben Ladung (= [[elektrischer Strom]]) auch Wärmeenergie transportieren, siehe [[Wiedemann-Franzsches Gesetz]]. Daher besitzen Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit üblicherweise auch eine gute Wärmeleitfähigkeit. Als Beispiel sei Silber genannt, das von allen reinen Metallen sowohl der beste elektrische Leiter als auch der beste thermische Leiter ist. | |||
== Messung == | == Messung == | ||
Messgeräte zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von [[Wärmedämmung|Wärmedämmmaterialien]], sogenannte [[Wärmestrommesser]] und andere Wärmestrom[[kalorimeter]], messen die dem Wärmestrom | Messgeräte zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von [[Wärmedämmung|Wärmedämmmaterialien]], sogenannte [[Wärmestrommesser]] und andere Wärmestrom[[kalorimeter]], messen die dem Wärmestrom entsprechende elektrische Leistung eines [[Heizelement]]s, die Dicke einer Probe und die Temperaturdifferenz an einer definierten Messfläche ([[Peltier-Element]]). Weiter ermöglichen sogenannte [[Wärmeflusssensor]]en das nicht-invasive Messen von Wärmeströmen aufgrund des [[Thermoelektrizität#Seebeck-Effekt|Seebeck-Effekts]]. Gemessene Größen sind der Wärmestrom und die absolute Temperatur. Aufgrund dieser Messprinzipien werden dabei die [[Wärmestrahlung]] bei wärmestrahlungs[[Transparenz (Physik)|transparenten]] Stoffen und die Wärme[[konvektion]] aufgrund in den Dämmstoff eingeschlossener Gase mitbestimmt. Das Ergebnis ist daher die Summe der Wärmeströme der drei Wärmeübertragungsarten und nicht allein ein Wärmestrom aufgrund von Wärme''leitung''. | ||
Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes kann über die Wärmeleitung oder über das [[Fouriersches Gesetz|fouriersche Gesetz]] bestimmt werden ([[3-Omega-Methode]]). | |||
== Wärmeleitfähigkeit im Bauwesen == | == Wärmeleitfähigkeit im Bauwesen == | ||
Im Bauwesen werden seit Einführung der Europäischen Bauprodukteverordnung 2013 drei verschiedene Größen parallel zur Kennzeichnung von Wärmedämmstoffen und zur Berechnung verwendet. | Im Bauwesen werden seit Einführung der Europäischen Bauprodukteverordnung 2013 drei verschiedene Größen parallel zur Kennzeichnung von Wärmedämmstoffen und zur Berechnung verwendet. | ||
* ''<math>\lambda_{D}</math>'', [[Nennwert der Wärmeleitfähigkeit]] gemäß [[CE-Kennzeichnung]] | * ''<math>\lambda_{D}</math>'', [[Nennwert der Wärmeleitfähigkeit]] gemäß [[CE-Kennzeichnung]] | ||
* ''<math>\lambda_{B}</math>'', ''Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit'' gemäß DIN 4108-4 | |||
* ''<math>\lambda_\text{grenz}</math>'', [[Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit]] gemäß allgemeiner Bauaufsichtlicher Zulassung (ABZ) eines Bauproduktes | * ''<math>\lambda_\text{grenz}</math>'', [[Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit]] gemäß allgemeiner Bauaufsichtlicher Zulassung (ABZ) eines Bauproduktes | ||
Sie unterscheiden sich durch die Art der Ermittlung und Verwendung voneinander. Nur der | Sie unterscheiden sich durch die Art der Ermittlung und Verwendung voneinander. Nur der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit gemäß DIN 4108-4 kann direkt zum Nachweis bauphysikalischer Eigenschaften von Bauteilen verwendet werden, die anderen Wärmeleitfähigkeitswerte erfordern einen Sicherheitszuschlag.<ref>[https://www.dabonline.de/2013/10/01/wirrwarr-bei-der-warmeleitfahigkeit-bemessungswert-ubereinstimmungszertifikat-dammstoff-passivhausstandard/ ''Wirrwarr bei der Wärmeleitfähigkeit''.] In: ''Deutsches Architektenblatt'', 1. Oktober 2013.</ref> | ||
== Normen == | === Normen === | ||
* DIN 4108-4 ''Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte'' | * DIN 4108-4 ''Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 4: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte'' | ||
* ÖNORM B 8110-7 ''Wärmeschutz im Hochbau – Teil 7: Tabellierte wärmeschutztechnische Bemessungswerte'' | * ÖNORM B 8110-7 ''Wärmeschutz im Hochbau – Teil 7: Tabellierte wärmeschutztechnische Bemessungswerte'' | ||
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Die Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> ist eine Stoffkonstante bei einem definierten Umgebungsklima ([[Temperatur]] und [[Luftfeuchte]]) und wird deswegen teilweise mit einem Index versehen: <math>\lambda_{20/50}</math>, <math>\lambda_{23/80}</math> oder auch <math>\lambda_\mathrm{dry}</math>. | Die Wärmeleitfähigkeit <math>\lambda</math> ist eine Stoffkonstante bei einem definierten Umgebungsklima ([[Temperatur]] und [[Luftfeuchte]]) und wird deswegen teilweise mit einem Index versehen: <math>\lambda_{20/50}</math>, <math>\lambda_{23/80}</math> oder auch <math>\lambda_\mathrm{dry}</math>. | ||
Die folgenden Zahlenwerte gelten, wenn nicht anders angegeben, für 0 °C. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit bedeutet eine größere [[Wärmeübertragung]] pro Zeitspanne. | Die folgenden Zahlenwerte gelten, wenn nicht anders angegeben, für 0 °C. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit bedeutet eine größere [[Wärmeübertragung]] pro Zeitspanne. | ||
{| | {| | ||
|- style="vertical-align:top" | |- style="vertical-align:top;" | ||
| | | | ||
{| class="wikitable sortable | {| class="wikitable sortable" | ||
|+ Baustoffe | |+ Baustoffe | ||
|- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | |- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | ||
!Stoff ||data-sort-type="number | ! Stoff || data-sort-type="number"| Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Holz]] senkrecht zur Faser ||style="text-align:right" data-sort-value="0,09"| 0,09…0,19 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Bitumen]] || style="text-align:right" data-sort-value="0,16"| 0,16 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Gummi]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,16"| 0,16 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Lehm]], [[Lehmputz]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,47"| 0,47…0,93 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Backstein|Ziegelmauerwerk]] ([[Vollziegel]]) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,50"| 0,50…1,40 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kalksandstein]] (KS) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,56"| 0,56…1,30 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Sand]], trocken ||style="text-align:right" data-sort-value="0,58"| 0,58 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kalkputz]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,70"| 0,70 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Glas]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,76"| 0,76 | ||
|- | |- | ||
| | |[[Kalkzementputz]] ||style="text-align:right" data-sort-value="1,0"| 1,0 | ||
|- | |- | ||
| | |Epoxidharzmörtel mit 85 % Quarzsand<ref>Handbuch Betonschutz durch Beschichtungen, Expert Verlag 1992, Seite 413</ref> ||style="text-align:right" data-sort-value="1,2"| 1,2 | ||
|- | |- | ||
| | |Zementestrich ||style="text-align:right" data-sort-value="1,4"| 1,4 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Beton#Bauphysikalische Eigenschaften|Beton]] ||style="text-align:right" data-sort-value="2,1"| 2,1 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kalkstein]] ||style="text-align:right" data-sort-value="2,2"| 2,2 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Sandstein]] ||style="text-align:right" data-sort-value="2,3"| 2,3; 2,1–3,9<ref name="FuchsFörster2010">{{Literatur |Autor=Sven Fuchs, Andrea Förster |Titel=Rock thermal conductivity of Mesozoic geothermal aquifers in the Northeast German Basin |Sammelwerk=Chemie der Erde – Geochemistry |Band=70 |Nummer=Supplement 3 |Datum=2010-08 |Seiten=13–22 |Online=[http://edoc.gfz-potsdam.de/gfz/get/15306/0/69070f5918278d63d23cfce5cbad024a/15306.pdf edoc.gfz-potsdam.de] |Format=PDF |KBytes= |DOI=10.1016/j.chemer.2010.05.010}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Granit]] ||style="text-align:right" data-sort-value="2,8"| 2,8 | ||
|- | |- | ||
| | |[[Marmor]] ||style="text-align:right" data-sort-value="2,8"| 2,8 | ||
|- | |- | ||
|Stahl | |Stahl hochlegiert (austeni­tisch; z. B. X5CrNi18-10)<ref>[https://www.edelstahl-rostfrei.de/fileadmin/user_upload/ISER/downloads/MB_821.pdf Merkblatt 821] (PDF; 877 kB); Edelstahl Rostfrei – Eigenschaften; Herausgeber: Informationsstelle Edelstahl Rostfrei Tabelle 9; Stand: 2014.</ref> ||style="text-align:right" data-sort-value="15"| 15 | ||
|- | |- | ||
| | |Stahl niedriglegiert ferri­tisch (z. B. 42CrMo4)||style="text-align:right" data-sort-value="42"| 42 | ||
|- | |- | ||
|[[Stahl]] unlegiert ||style="text-align:right" data-sort-value="48"| 48…58 | |||
|} | |} | ||
| | | | ||
{| class="wikitable sortable | {| class="wikitable sortable" | ||
|+ Dämmstoffe | |+ Dämmstoffe | ||
|- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | |- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | ||
!Stoff||data-sort-type="number | !Stoff||data-sort-type="number"| Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
|- | |- | ||
|[[Vakuumdämmplatte]] ||style="text-align:right | |[[Vakuumdämmplatte]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,004"| 0,004…0,006 | ||
|- | |- | ||
|[[Aerogel]] ||style="text-align:right | |[[Aerogel]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,017"| 0,017…0,021 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Resolharz]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,021"| 0,021 | ||
|- | |- | ||
| | |[[Polyurethan]] (PUR) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,021"| 0,021…0,035 | ||
|- | |- | ||
| | |Expandiertes Polystyrol mit Graphit ([[Graues EPS]]) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,030"| 0,030…0,035 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |Extrudiertes [[Polystyrol#Geschäumtes Polystyrol|Polystyrol]] (XPS) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,032"| 0,032…0,040 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Mineralwolle]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,032"| 0,032…0,050 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Polyethylen]]-Schaumstoffe ||style="text-align:right" data-sort-value="0,034" | 0,034…0,040<ref>{{Webarchiv |url=http://trocellen.com/en/thermal-insulation |wayback=20100821024547 |text=Datenblätter Trocellen PE-Dämmstoffe, abgerufen am 30. Juli 2010}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Wolle]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,035"| 0,035 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Schafwolle]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,035"| 0,035…0,045<ref name="lroed">Leitfaden [http://benz24.de/media/landingpages/ratgeber/ebook/oekologisch_daemmen/leitfaden-ratgeber-oekologische-daemmstoffe.pdf Ökologische Dämmstoffe] (PDF; 6,3 MB) der Firma BENZ GmbH & Co. KG Baustoffe, abgerufen am 1. März 2017.</ref> | ||
|- | |- | ||
| | |[[Kork]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,035"| 0,035…0,046 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |Expandiertes [[Polystyrol#Geschäumtes Polystyrol|Polystyrol]] (EPS) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,035"| 0,035…0,050 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Naturdämmstoff#Zellulose|Zellulose]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,037"| 0,037…0,045 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Holzfaserdämmplatte]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,038"| 0,038<ref>Produktinformation [http://gutex.de/sortiment/produkte/produkt/gutex-thermosafe-homogen/ Thermosafe-homogen®] der Firma GUTEX Holzfaserplattenwerk H. Henselmann GmbH & CO. KG, abgerufen am 2. November 2021.</ref> …0,060 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Jute]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,038"| 0,038<ref name="lroed" /> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Strohballenbau|Strohballen]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,038"| 0,038…0,067 | ||
|- | |- | ||
|[[Flachs]] ||style="text-align:right;" data-sort-value="0, | |[[Naturdämmstoff#Flachs und Hanf|Hanfdämmmatten]] ||style="text-align:right;" data-sort-value="0,042"| 0,042<ref>Produktinformation [https://www.thermo-natur.de/wp-content/uploads/TDB_THERMO_HANF_PREMIUM.pdf THERMO HANF PREMIUM] der Firma THERMO NATUR GmbH & Co. KG, abgerufen am 22. Februar 2020.</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Flachsfaser|Flachs]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040<ref name="lroed" /> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Schaumglas]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040 | ||
|- | |- | ||
<!-- |[[Kork]] ||style="text-align:right | |[[Hanf]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040…0,045<ref name="lroed" /> | ||
|- | |||
<!-- |[[Kork]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040…0,045<ref name="lroed" /> | |||
|- // kommt doppelt vor! --> | |- // kommt doppelt vor! --> | ||
|[[Seegras]] ||style="text-align:right | |[[Seegräser|Seegras]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040…0,049<ref name="lroed" /> | ||
|- | |- | ||
|[[Holzfaser]] ||style="text-align:right | |[[Holzfaser]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040"| 0,040…0,060<ref name="lroed" /> | ||
|- | |- | ||
|[[Perlit (Gestein)]] ||style="text-align:right | |[[Perlit (Gestein)]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,040" data-sort-value="0,040"| 0,040…0,070 | ||
|- | |- | ||
|[[Schilfrohrplatte]] ||style="text-align:right | |[[Schilfrohrplatte]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,045"| 0,045…0,055 | ||
|- | |- | ||
|[[Stroh]] ||style="text-align:right | |[[Stroh]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,043"| 0,043<ref name='Stroh'>[https://www.dpm-gruppe.com/assets/Uploads/ISO-Stroh-datenblatt.pdf ISO-Stroh, Datenblatt] auf dpm-gruppe.com, abgerufen am 2.6.2021</ref>…0,072<ref name="lroed" /> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Wärmedämmputz]]e, z. B. mit Polystyrolschaumkugeln ||style="text-align:right" data-sort-value="0,055"| 0,055…0,070<ref>[https://www.hasit.de/bautrends-loesungen/bestandsbau-energetische-sanierung/waermedaemmputze Wärmedämmputze] von Hasit. In: Hasit.de. Abgerufen im November 2021</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Hochlochziegel]], [[Pore|porosiert]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,07"| 0,070…0,450 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Porenbeton]] (Gasbeton) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,08"| 0,080…0,250 | ||
|- | |- | ||
|[[Glasschaum-Granulat]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,080"| 0,080 | |||
|- | |||
|[[Holzwolle-Leichtbauplatte]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,090"| 0,090 | |||
|- | |||
|[[Blähton]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,100"| 0,100…0,160<ref name="lroed" /> | |||
|- | |||
|Thermoputz mit mineralischen [[Leichtzuschläge]]n ||style="text-align:right" data-sort-value="0,11"| 0,110<ref>[https://baumit.de/produkte/maschinenputze-aussen/dammputzehaftputze/thermoputz ThermoPutz], mineralisch; Firma Baumit. In: Baumit.de</ref> | |||
|} | |} | ||
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{| class="wikitable sortable | {| class="wikitable sortable" | ||
|+ Metalle | |+ Metalle | ||
|- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | |- class="hintergrundfarbe6" style="height:3em" | ||
!Stoff||data-sort-type="number | !Stoff||data-sort-type="number"| Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
|- | |||
|[[Silber]] ||style="text-align:right"| 429 | |||
|- | |||
|[[Kupfer]] (rein) ||style="text-align:right"| 401 | |||
|- | |- | ||
| | |Kupfer (Handelsware) ||style="text-align:right" data-sort-value="240"| 240…380<ref>{{Literatur |Autor=Hans-Jürgen Bargel, Hermann Hilbrans |Titel=Werkstoffkunde |Verlag=Springer |Datum=2008 |ISBN=978-3-540-79296-3 |Seiten=275 |Online={{Google Buch|BuchID=pKsoPh0lbpEC|Seite=275}}}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kupferlegierung]]en ([[Zinn|Sn]], [[Zink|Zn]], [[Nickel|Ni]], [[Blei|Pb]]) ||style="text-align:right" data-sort-value="50"| 30…110<ref>Werkstoffeigenschaften der [http://www.wieland.com/mediaPool/content/media/de/prospekte/rohre/profilrohre/strangguss.pdf Gusslegierungen] (PDF) und der [http://www.wieland-thermalsolutions.de/commonmedia/content/media/de/prospekte_2/gbrohre/prospekte/gewa/da_r_gewak_ks_10.pdf Rohrwerkstoffe] (PDF) der Wieland-Werke AG, abgerufen im August 2014.</ref> | ||
|- | |- | ||
| | |[[Gold]] (rein) ||style="text-align:right"| 314 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Aluminium]] (99,5 %) ||style="text-align:right"| 236 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Beryllium]] ||style="text-align:right"| 201 | ||
<!-- | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Calcium]] ||style="text-align:right"| 201 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Wolfram]] ||style="text-align:right"| 173 | ||
--> | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Magnesium]] ||style="text-align:right"| 156 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Silizium]] ||style="text-align:right"| 163 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Aluminiumlegierung]]en ||style="text-align:right"| 75…235<ref>{{Webarchiv |url=http://aluminium.matter.org.uk/content/html/ger/default.asp?catid=159&pageid=2144416493 |wayback=20160311181206 |text=''Thermische Leitfähigkeit''.}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | <!-- | ||
|[[Kalium]] ||style="text-align:right"| 135 | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Molybdän]] ||style="text-align:right"| 138 | ||
|- | |- | ||
|[[ | --> | ||
|[[Messing]] ||style="text-align:right"| 120 | |||
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|[[ | |[[Zink]] ||style="text-align:right"| 110 | ||
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|[[ | |[[Magnesium]] ||style="text-align:right"| 170 | ||
<!-- | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Wolfram]] ||style="text-align:right"| 167 | ||
--> | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Natrium]] ||style="text-align:right"| 133 | ||
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|- | |- | ||
|[[ | |[[Rostfreier Stahl|Chromstahl]] 1.400 ||style="text-align:right"| 30 | ||
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|[[ | |[[Platin]] ||style="text-align:right"| 71 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Zinn]] ||style="text-align:right"| 67 | ||
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|- | |||
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|} | |} | ||
|} | |} | ||
Zeile 281: | Zeile 282: | ||
|- style="vertical-align:top" | |- style="vertical-align:top" | ||
| | | | ||
{| class="wikitable sortable | {| class="wikitable sortable" | ||
|+ | |+ Gase ([[Normbedingung]]) | ||
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!Stoff||data-sort-type="number | !Stoff||data-sort-type="number"| Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
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|[[Wasserstoff]] ||style="text-align:right | |[[Wasserstoff]] ||style="text-align:right"| 0,186<ref name="LideGases" /> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Ammoniak]] bei 25 °C ||style="text-align:right"| 0,024<ref>[https://www.schweizer-fn.de/stoff/wleit_gase/wleit_gase.php schweizer-fn.de]</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Helium]] ||style="text-align:right"| 0,1567<ref name="LideGases">{{CRC Handbook |Auflage=90 |Kapitel=6 |Startseite=184 }} Werte gelten bei 300 K.</ref> | ||
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|[[ | |[[Argon]] ||style="text-align:right"| 0,0179<ref name="LideGases" /> | ||
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|+ Kunststoffe | |+ Kunststoffe | ||
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!Stoff||data-sort-type="number | !Stoff||data-sort-type="number"|Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
|- | |- | ||
|[[Polyethylenterephthalat]] (PET) ||style="text-align:right | |[[Polyethylenterephthalat]] (PET) ||style="text-align:right"| 0,24<ref name="Hütte">{{Literatur |Hrsg=Horst Czichos |Titel=Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, D Werkstoffe, ''Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen'' |Auflage=31. |Verlag=Springer |Datum=2000 |ISBN=3-540-66882-9 |Seiten=D 54}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[Polyurethan]] kompakt (PUR) ||style="text-align:right | |[[Polyurethan]] kompakt (PUR) ||style="text-align:right"| 0,245<ref name="KernRIWETA">[http://www.kern-gmbh.de/index.html?/kunststoff/service/werkstoffe/eigenschaften/datenblatt.htm Datenblätter Technische Kunststoffe und deren Eigenschaften, abgerufen am 23. November 2010].</ref> | ||
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|- | |- | ||
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|- | |- | ||
|[[Polystyrol]] (PS) ||style="text-align:right | |[[Polystyrol]] (PS) ||style="text-align:right"| 0,17<ref name="Hütte" /> | ||
|- | |- | ||
|[[Polysiloxane]] (Silikon) ||style="text-align:right | |[[Polysiloxane]] (Silikon) ||style="text-align:right" data-sort-value="0,2"| 0,2…0,3 | ||
|- | |- | ||
|[[Polyetheretherketon]] (PEEK) ||style="text-align:right"| 0,25<ref name="makeitfrom">[http://www.makeitfrom.com/material-data/?for=Plain-PEEK Eintrag] bei makeitfrom.com</ref> | |||
|} | |} | ||
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{| class="wikitable sortable | {| class="wikitable sortable" | ||
|+ | |+ Flüssigkeiten und sonstige Stoffe | ||
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!Stoff|| | !Stoff||data-sort-type="number"|Wärmeleit­fähigkeit ''λ'' in W/(m·K) | ||
|- | |- | ||
|[[Öle|Öl]] ||style="text-align:right | |[[Öle|Öl]] ||style="text-align:right" data-sort-value="0,13"| 0,13…0,15 | ||
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|[[ | |[[Schnee]] (0,25 g/cm³) ||style="text-align:right"| 0,16<ref name="LideSolids" /> | ||
|- | |- | ||
| | | Alkohol ||style="text-align:right"| 0,173<ref name="schweizer-fn">[https://schweizer-fn.de/stoff/wleit_fluessigkeit/wleit_fluessigkeit.php schweizer-fn.de]</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Schwefel]] ||style="text-align:right"| 0,269 | ||
|- | |- | ||
| | | Ammoniak unter Druck ||style="text-align:right"| 0,521<ref name="schweizer-fn" /> | ||
|- | |- | ||
| | | Schwefelsäure ||style="text-align:right"| 0,544<ref name="schweizer-fn" /> | ||
|- | |- | ||
| | | Wasser (0 °C) ||style="text-align:right"| 0,5562<ref>{{CRC Handbook |Auflage=90 |Kapitel=6 |Startseite=220}}</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kreide (Gestein)|Kreide]] ||style="text-align:right"| 0,92 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Siliciumdioxid]] (Quarz) ||style="text-align:right" data-sort-value="1,2"| 1,2…12 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Humus]] ||style="text-align:right"| 1,26 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Eis]] (−10 °C) ||style="text-align:right"| 2,33<ref>[http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0301.html Vorlesungsunterlagen] Hydroskript. – {{Webarchiv |url=http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/zeitschriften-magazine/ptb-news/ptb-news-ausgaben/ptb-news/news01-3/waermeleitfaehigkeit-von-wasser-und-eis.html |wayback=20150924083412 |text=PTB Braunschweig}}.</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Wärmeleitpaste]] ||style="text-align:right" data-sort-value="4"| 4…12,5<ref>[https://geizhals.eu/?cat=cooltc&xf=6782_40 geizhals.eu]</ref> | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Aluminiumoxid]] ||style="text-align:right"| 28 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Kohlenstoff]] ([[Graphit]]) ||style="text-align:right" data-sort-value="119"| 119…165 | ||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Silicium]] ||style="text-align:right"| 148 | ||
<!-- | |||
|- | |- | ||
|[[ | |[[Aluminiumnitrid]] ||style="text-align:right" data-sort-value="180"| 180…220 | ||
--> | |||
|- | |- | ||
|[[Siliciumcarbid]] ||style="text-align:right"| 350 | |||
|- | |||
|[[Diamant]] ||style="text-align:right"| 2300 | |||
|- | |||
|[[Graphen]] ||style="text-align:right"| 5300 | |||
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|- | |||
|[[Korund]] (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> ~99 %) ||style="text-align:right"| 41,9<ref name="oskar-moser">oskar-moser.de: [http://www.oskar-moser.de/index.php?id=99&lang=de Technische Daten synthetischer Saphir]</ref> | |||
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|} | |} | ||
|} | |} | ||
== | == Literatur == | ||
* [[Landolt-Börnstein]] – Datenbank für fast alle Stoffwerte, so auch Wärmeleitfähigkeitswerte | * [[Landolt-Börnstein]] – Datenbank für fast alle Stoffwerte, so auch Wärmeleitfähigkeitswerte | ||
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{{Commonscat|Heat conduction|Wärmeleitfähigkeit}} | {{Commonscat|Heat conduction|Wärmeleitfähigkeit}} | ||
* [http://www.wittrock-web.de/pse_leit_th.html Wärmeleitfähigkeit der Elemente] | * [http://www.wittrock-web.de/pse_leit_th.html Wärmeleitfähigkeit der Elemente] | ||
* [http://www.ddbst.com/ddb-search.html Suche] in der [[Dortmunder Datenbank]] für Wärmeleitfähigkeiten reiner Stoffe | |||
== Einzelnachweise == | == Einzelnachweise == | ||
<references /> | <references /> | ||
{{Normdaten|TYP=s|GND=4064191-0}} | |||
{{SORTIERUNG:Warmeleitfahigkeit}} | {{SORTIERUNG:Warmeleitfahigkeit}} |
Physikalische Größe | |||||||
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Name | Wärmeleitfähigkeit | ||||||
Formelzeichen | $ \lambda ,\,\kappa ,\,k $ | ||||||
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Die Wärmeleitfähigkeit, auch Wärmeleitzahl oder Wärmeleitkoeffizient, ist eine Stoffeigenschaft, die den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung bestimmt. An der Wärmeleitfähigkeit lässt sich ablesen, wie gut ein Material Wärme leitet oder wie gut es sich zur Wärmedämmung eignet. Je niedriger der Wert der Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist die Wärmedämmung. Die Wärmeleitfähigkeit hat im SI-System die Einheit Watt pro Meter und Kelvin.
Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Materialien steigt mit steigender Temperatur leicht an. An einem Phasenübergang oder Aggregatzustandsübergang (z. B. fest ↔ flüssig ↔ gasförmig) ändert sich die Leitfähigkeit allerdings meist stark und sprungartig.
Aus der Wärmeleitfähigkeit kann durch Division mit der auf das Volumen bezogenen Wärmekapazität die Temperaturleitfähigkeit berechnet werden. Der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit ist der (spezifische) Wärmewiderstand.
Unter Wärmeleitung versteht man den Transport von Wärme in einem Medium ohne Stofftransport (wie beispielsweise bei der Konvektion).
Zur Definition der Größe „Wärmeleitfähigkeit“ stelle man sich zwei Wärmereservoirs vor, die die Temperaturen $ T_{1} $ und $ T_{2} $ haben (es gelte $ T_{1}>T_{2} $), und durch eine ebene Wand eines bestimmten Materials voneinander getrennt sind. Die Eigenschaften des Materials sind an jedem Ort in seinem Inneren gleich und haben keine Vorzugsrichtung; das Material ist also homogen und isotrop. Die Wand hat eine Dicke $ l $ und ist unendlich ausgedehnt. (In der Praxis genügt es, dass die Wand viel breiter und höher als dick ist.) Zwischen den beiden Reservoirs stellt sich ein konstanter Wärmestrom ein. Durch jedes beliebige Teilstück der Wand mit der Fläche $ A $ fließt dann der Wärmestrom $ {\dot {Q}} $.
Unter den genannten Voraussetzungen ist der Temperaturgradient über die gesamte Dicke der Wand hinweg konstant. Der Wärmestrom ist dann proportional zu
und hängt ansonsten nur von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums (Wandmaterials) ab. Daraus ergibt sich die Definitionsgleichung für die Wärmeleitfähigkeit:
Dieser Zusammenhang heißt auch Fouriersches Gesetz. Aus der Definition folgt sofort die Einheit der Wärmeleitfähigkeit:
Im allgemeinen Fall reicht es nicht aus, nur eine Dimension zu betrachten. Insbesondere ist der Temperaturverlauf nur in Ausnahmefällen linear. Die allgemeinere Formulierung lautet deshalb:
In dieser Gleichung ist $ {\dot {\mathbf {q} }} $ die (vektorielle) Wärmestromdichte. Das negative Vorzeichen rührt daher, dass Wärme stets entlang des Temperaturgefälles fließt, also entgegen dem Temperaturgradienten.
Im allgemeinen anisotropen Fall ist die Wärmeleitfähigkeit ein Tensor zweiter Stufe, wird also z. B. durch eine 3×3-Matrix beschrieben. So leiten z. B. Holz und Schiefer in Faserrichtung und ein Quarzkristall in Richtung der c-Achse die Wärme besser als quer dazu. Verläuft der Temperaturgradient schräg zu den Materialachsen, so weicht die Richtung des Wärmestromes von der des Gradienten ab.
Wärmeenergie kann außer durch Wärmeleitung auch durch Wärmestrahlung und Konvektion übertragen werden. Bei Stoffen mit hoher Wärmeleitung können diese Mechanismen in manchen Fällen vernachlässigt werden.
Im Vakuum gibt es keine Wärmeleitung und keine Konvektion, nur Wärmestrahlung. Verspiegelte Oberflächen im Hochvakuum sind deshalb die besten Isolatoren gegen Wärmeflüsse.[2]
In Metallen können die Leitungselektronen neben Ladung (= elektrischer Strom) auch Wärmeenergie transportieren, siehe Wiedemann-Franzsches Gesetz. Daher besitzen Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit üblicherweise auch eine gute Wärmeleitfähigkeit. Als Beispiel sei Silber genannt, das von allen reinen Metallen sowohl der beste elektrische Leiter als auch der beste thermische Leiter ist.
Messgeräte zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmmaterialien, sogenannte Wärmestrommesser und andere Wärmestromkalorimeter, messen die dem Wärmestrom entsprechende elektrische Leistung eines Heizelements, die Dicke einer Probe und die Temperaturdifferenz an einer definierten Messfläche (Peltier-Element). Weiter ermöglichen sogenannte Wärmeflusssensoren das nicht-invasive Messen von Wärmeströmen aufgrund des Seebeck-Effekts. Gemessene Größen sind der Wärmestrom und die absolute Temperatur. Aufgrund dieser Messprinzipien werden dabei die Wärmestrahlung bei wärmestrahlungstransparenten Stoffen und die Wärmekonvektion aufgrund in den Dämmstoff eingeschlossener Gase mitbestimmt. Das Ergebnis ist daher die Summe der Wärmeströme der drei Wärmeübertragungsarten und nicht allein ein Wärmestrom aufgrund von Wärmeleitung.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes kann über die Wärmeleitung oder über das fouriersche Gesetz bestimmt werden (3-Omega-Methode).
Im Bauwesen werden seit Einführung der Europäischen Bauprodukteverordnung 2013 drei verschiedene Größen parallel zur Kennzeichnung von Wärmedämmstoffen und zur Berechnung verwendet.
Sie unterscheiden sich durch die Art der Ermittlung und Verwendung voneinander. Nur der Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit gemäß DIN 4108-4 kann direkt zum Nachweis bauphysikalischer Eigenschaften von Bauteilen verwendet werden, die anderen Wärmeleitfähigkeitswerte erfordern einen Sicherheitszuschlag.[3]
Die Werte der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe können um viele Größenordnungen variieren. Hohe Werte sind beispielsweise gefragt für Kühlkörper, die Wärme gut ableiten sollen, Wärmedämmstoffe sollen hingegen geringe Werte aufweisen.
Die Wärmeleitfähigkeit $ \lambda $ ist eine Stoffkonstante bei einem definierten Umgebungsklima (Temperatur und Luftfeuchte) und wird deswegen teilweise mit einem Index versehen: $ \lambda _{20/50} $, $ \lambda _{23/80} $ oder auch $ \lambda _{\mathrm {dry} } $. Die folgenden Zahlenwerte gelten, wenn nicht anders angegeben, für 0 °C. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit bedeutet eine größere Wärmeübertragung pro Zeitspanne.
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