Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit spielt in den verschiedensten Bereichen – beispielsweise in der Biologie, der Baubranche und der Elektronik – eine wichtige Rolle. Auch für bestimmte Funktionen wie sehr hohe Rechenleistungen in Computerprozessoren sind Wärmeflüsse von hoher Relevanz. Im Wärmemanagement von Gebäuden ist die Wärmeleitfähigkeit beispielsweise für die Bewertung der Dämmfähigkeit von Baustoffen ein großes Thema. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist das Dämmvermögen des Baustoffs.

Wärmeleitfähigkeit Definition

Was ist Wärmeleitfähigkeit? Die sogenannte spezifische Wärmeleitfähigkeit wird auch als Wärmeleitzahl oder -koeffizient bezeichnet. Es handelt sich um eine Materialeigenschaft, die den Wärmestrom basierend auf der Wärmeleitung bestimmt. Bei der Wärmeleitung wird Wärme in einen ruhenden Körper übertragen. Dabei geben die schnelleren Teilchen Energie an die langsameren ab. Das bedeutet, dass sich die Wärmeenergie von den höheren Temperaturbereichen zu den niedrigeren ausbreitet.

Die Wärmeleitfähigkeit gibt Aufschluss darüber, wie gut ein Stoff Wärme leitet – und wie gut er sich dementsprechend für die Wärmedämmung eignet. Dabei gilt: Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist die Dämmleistung.[1]

Im SI-System (Internationales Einheitensystem) hat die Wärmeleitfähigkeit Einheit Watt pro Meter und Kelvin (λ = W/(mK)). Auf welche Art und Weise Stoffe Wärme übertragen, hängt von ihrem Aggregatzustand ab.

So wird Wärme in Feststoffen (zum Beispiel Metalle) per Wärmeleitung transportiert. Handelt es sich um Nicht-Metalle, kommt es zu einer mechanischen Kopplung von Atomen und dem anschließenden Übergang von Schwingungsenergien. In Metallen werden darüber hinaus Leitungselektronen wirksam, die nicht nur elektrische Ladung, sondern auch mechanische Wärmeenergie leiten.

In Flüssigkeiten und Gasen dagegen geschieht die Wärmeübertragung über Konvektion, also Strömung. Erwärmt sich ein Teil des Fluids, sinkt seine Dichte, woraufhin dieser Teil aufsteigt und so Wärme transportiert.[2]

Übrigens: Stoffe, die elektrischen Strom gut leiten – beispielsweise Kupfer und Silber – sind auch gute Wärmeleiter. Der Umkehrschluss trifft jedoch nicht immer zu: So leiten zum Beispiel Diamanten sehr gut Wärme, aber keinen elektrischen Strom.[1]

Wie kann man die Wärmeleitfähigkeit messen?

Die Wärmeleitfähigkeit wird in W/mK angegeben und ist auch als Lambda-Wert bekannt. Der Wert gibt an, wie viel Wärme (Wärmemenge Q) durch eine Schicht von einem Meter transportiert wird, wenn die Temperatur ein Kelvin zu- oder abnimmt.[3]

Ein Körper leitet nur dann Wärme, wenn zwei verschiedene Temperaturbereiche vorhanden sind. Es gibt aber noch weitere Einflussfaktoren, darunter die Wärmeleitfähigkeit des Basisstoffes, die Querschnittsfläche des Körpers, seine Länge, die Temperaturdifferenz und die Zeit. Berücksichtigt man all diese Rechengrößen, ergibt sich die folgende Formel, um die Wärmeleitfähigkeit berechnen:

Formel:

  • Q = λ * ((A * t * Δϑ)/l)

Abkürzungen:

  • Q = die übertragene Wärme
  • λ = Wärmeleitfähigkeit des Stoffs
  • A = Querschnittsfläche
  • t = Zeit, die während der Wärmeleitung vergeht
  • Δϑ = Temperaturunterschied
  • l = Länge des Stoffs

Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich ausschließlich experimentell ermitteln. Üblicherweise misst man sie mit einem von zwei Verfahren nach DIN 52612. Hierbei handelt es sich um das sogenannte Ein- oder Zwei-Plattenverfahren, bei dem die Probengröße mehr als 500 Millimeter Kantenlänge und die Probendicken mehr als fünf Millimeter betragen. Die Messungen dauern mehrere Stunden.

Aufgrund der langen Messzeiten kommen diese Verfahren für industrielle Prüfungen nur bedingt in Frage. Immer wieder gibt es deshalb Versuche, die Wärmeleitfähigkeit anders zu erfassen. Beispielsweise kommen Methoden zum Einsatz, bei denen sich die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen in Abhängigkeit von Dichte und Materialfeuchte bestimmen lässt. Die Verfahren Transient Hot Strip (THS) und Transient Hot Bridge (THB) nehmen nur wenig Zeit in Anspruch und ermöglichen es daher, die Wärmeleitfähigkeit auch in Abhängigkeit von der Feuchte zu messen, ohne dass sich die Materialfeuchte durch die Länge des Messprozesses zu sehr verändern würde.[4]

Was ist eine gute Wärmeleitfähigkeit?

Ob die Wärmeleitfähigkeit eines Materials gut ist, hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Eine gute Wärmeleitung ist also nicht unbedingt positiv. So sind hohe Werte bei Griffen von Kochtöpfen, aber auch bei Hauswänden und Fenstern nicht erwünscht. Benötigt man ein Material, das Wärme an seine Umgebung weitergibt, wählt man eines mit einer hohen Leitfähigkeit. In Frage kommen vor allem Metalle wie Silber (427 W/mK) und Kupfer (380 W/mK). (5) Zudem gibt es Materialien mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit. Die höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit besitzt Diamant (>2000 W/mK), der aus diesem Grund zur Wärmeableitung (Abwärme) in der Elektronik eingesetzt wird. Darauf folgen Materialien wie Graphit (Wärmeleitung entlang der Schichten = 2000 W/mK)) und Siliziumcarbid (490 W/mK).[6]

Dagegen haben Luft (0,025 W/mk) und Kunststoffe (0,1 bis 0,8 W/mK) eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und eignen sich daher optimal für die Wärmedämmung. Auch Mineralwolle und Kunststoffschäume (0,035 bis 0,045 W/mK) sind schlechte Wärmeleiter. Naturdämmstoffe wie Holz dagegen bewegen sich eher im Bereich oberhalb von 0,040 W/mK. Ein besonders vielversprechender Dämmstoff sind Vakuum-Isolationspaneelen (VIPs), die eine extrem niedrige Leitfähigkeit von 0,004 bis 0,008 W/mK aufweisen.[5]

Von welchen Faktoren hängt eine gute Wärmeleitfähigkeit ab?

Verschiedene physikalische und chemische Faktoren wirken sich auf die Wärmeleitfähigkeit von Materialien aus:

  • Wärmeleitfähigkeit des Ausgangsmaterials
  • Form, Größe und Anordnung der Zellen oder Poren
  • Druck der Gasfüllung in den Poren (Systemdruck p)
  • Struktur der Bestandteile (kristallartig, glasig, faserig)
  • Rohdichte
  • Temperatur
  • Feuchtegehalt

Besonders bedeutsam für die Wärmeleitfähigkeit sind neben der Leitfähigkeit des Basismaterials die Rohdichte und der Feuchtegehalt eines Stoffs. So sind gute Dämmstoffe – beispielsweise Schaumglas, Kork, Polystyrol-Partikelschaum und geblähtes Perlit – meist mehr oder weniger porös, also luftdurchlässig. Es gilt: Je größer und zahlreicher die Poren, desto geringer ist die Rohdichte und damit die Wärmeleitfähigkeit des Stoffs.

Was den Feuchtegehalt und die Wärmeleitfähigkeit betrifft, gilt folgende Faustregel: Je höher der Wassergehalt, desto höher die Wärmeleitfähigkeit. Dies gilt insbesondere für faserige Stoffe.[7]

Wärmeleitfähigkeit Dämmung: Wofür ist die Wärmeleitfähigkeit wichtig?

Da die Wärmeleitfähigkeit angibt, wie viel Wärme unter bestimmten Voraussetzungen (Temperatur, Feuchte, etc.) durch ein Material gelangt, spielt sie heutzutage in der Baubranche eine wichtige Rolle. Sie ist einer von mehreren Einflussfaktoren für die Gebäudedämmung und wirkt sich damit indirekt auf die Heizkosten aus. Das ist wichtig, weil gut gedämmte Häuser die Heizwärme vor allem im Winter lange speichern.

Die Wärmeleitfähigkeit ist also ein Indikator dafür, wie gut die Wärmedämmung eines Gebäudes ist. Baustoffe, die dem Dämmen von Gebäuden dienen, sollten einen geringen Lambda-Wert und damit eine hohe Wärmedämmwirkung haben. Empfehlenswert ist ein Lambda-Wert zwischen 0,025 und 0,04 W/mK. Andernfalls entweicht zu viel Wärme aus dem Haus. In diesem Fall müssen entweder die privaten Photovoltaik-Anlagen mehr Wärmeenergie generieren oder die Kosten für den Strom aus dem öffentlichen Netz steigen.[8]

Was gibt es sonst noch über die Wärmeleitfähigkeit zu wissen?

Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials entscheidet über seine Eignung für die Beheizung und Erhitzung. Während Materialien mit geringer Leitfähigkeit dem Erhalt und der Speicherung dienen, nutzt man Stoffe mit hoher Leitfähigkeit für den Transport und die Übertragung von Wärme.

Nutzen kann man die Leitfähigkeit beispielsweise bei Heizplatten, Kochtöpfen oder Lötkolben. Diese bestehen aus Metallen, die elektrisch aufgeheizt werden. Die Wärme breitet sich dann im gesamten Gegenstand aus.

In anderen Fällen ist eine gute Wärmeleitung unerwünscht. Beispiele sind neben Griffen von Töpfen und Pfannen auch Wände und Fenster sowie die Wandungen von Rohrleitungen für die Fernwärme. Hier verwendet man vorzugsweise Materialien, die schlechte Wärmeleiter sind, zum Beispiel Kunststoffe.

SFC Energy macht sich die moderne Brennstoffzellen-Technologie zunutze und stellt smarte Brennstoffzellen-Lösungen auf Basis von Wasserstoff-Brennstoffzelle und Direktmethanol-Brennstoffzelle her. Die Wärmeleitfähigkeit Wasserstoff ist im Vergleich zu anderen Gasen sehr gut, der hohe Heizwert von Wasserstoff macht das Gas um ein Vielfaches effizienter als herkömmliche Brennstoffe.[1]

Fazit

Die Wärmeleitfähigkeit hängt von den physikalischen Eigenschaften eines Stoffs ab und bezeichnet seine Fähigkeit, Wärme zu transportieren. Eine besonders wichtige Rolle spielen Faktoren wie die Dichte, der Wassergehalt und die Porosität des Materials oder Stoffs.

Gut geeignet für die Wärmedämmung sind Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Materialien dagegen, die über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen, ermöglichen eine effiziente Wärmeübertragung. Zu den guten Wärmeleitern zählen Metalle, insbesondere Kupfer, Silber, Gold und Aluminium. Holz, Glas, Luft sowie die meisten Kunststoffe leiten Wärme nur schlecht und eignen sich daher hervorragend als Dämmstoffe. Auch die Wärmeleitfähigkeit Wasser ist nur schwach ausgeprägt. Besonders gerne werden Materialien eingesetzt, in denen viel Luft eingeschlossen ist. Dazu gehören beispielsweise Styropor und Glaswolle.