Thermische geleidbaarheid
De thermische geleidbaarheid, thermische conductie of warmtegeleidingscoëfficiënt (symbool ) is een materiaalconstante die aangeeft hoe goed het materiaal warmte geleidt. De grootheid wordt onder meer gebruikt in de wet van Fourier (warmteoverdracht door geleiding). Een materiaal met een lagere waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt is een betere isolator.
De warmtegeleidingscoëfficiënt is een verhouding die als volgt bepaald wordt:
Hierin is
- het doorgelaten vermogen [W],
- de dikte van het materiaal [m],
- de oppervlakte van het materiaal [m²],
- het temperatuurverschil waarover de geleiding plaats vindt [K],
- de warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal [W/(m·K)].[2]
Het door het materiaal doorgelaten thermisch vermogen P kan - als de warmtegeleidingscoëfficiënt bekend is - als volgt bepaald worden:
Een dikke laag materiaal houdt de warmte dus beter tegen dan een dunnere laag, bij dezelfde waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt.
Achtergrond
[bewerken | brontekst bewerken]Thermische isolatoren hebben een lage waarde van de warmtegeleidingscoëfficiënt (), warmtegeleiders hebben een hoge waarde. Dit gaat ten dele gelijk op met de elektrische geleiding. Metalen hebben bijvoorbeeld zowel thermisch als elektrisch een hoge geleiding. Dit komt doordat zij inwendig een elektronenwolk bezitten die zowel warmte als elektrische lading transporteren kan.
Ook de collectieve trillingswijzen van het materiaal, de fononen spelen een rol. Vooral een materiaal met sterke atoombindingen in alle richtingen en lichte atomen, zoals diamant, geleidt warmte goed dankzij fononen. In een dergelijk materiaal zijn de trillingswijzen volledig over het hele kristal uitgespreid (gedelokaliseerd).
Omgekeerd is de warmtegeleiding slecht in materialen zoals aerogels. Deze stoffen hebben een fractale structuur. Hun trillingswijzen zijn daarom geen fononen maar fractonen. Dit soort trillingswijzen is van plaatselijke aard. De thermische energie, i.e. warmte, kan daarom niet zo gemakkelijk naar de buuratomen doorgegeven worden.
Tabel van materialen
[bewerken | brontekst bewerken]Stof Warmtegeleidingscoëfficiënt (lambda) in W/(m·K)
(bij 293 K tenzij anders vermeld)Metalen zilver 417 koper 401 goud 317 aluminium 237 brons 190 messing 122 zink 116 nikkel 92 ijzer 79 platina 72 staal 50 lood 35 roestvast staal [4] - 27 15gadolinium 10,6 kwik 10,4 Vaste stoffen diamant 900 - 2.320 grafiet 160 ijs (269 K) 2,1 porselein 1,0 - 1,7 glas 0,8 - 0,9 beton 0,2 - 20 schuimbeton 0,09 hout 0,1 - 0,5 polyetheen (PE) 0,23 - 0,29 kwarts 0,22 plexiglas 0,19 papier 0,18 asbest 0,09 keukenzout 0,045 - 0,06 polystyreen (PS) 0,04 minerale wol 0,04 polyisocyanuraat (PIR) 0,019 – 0,026 resolhardschuim ca. 0,021 aerogel ca. 0,017 Vloeistoffen water 0,60 melk 0,49 methanol 0,21 aceton 0,16 chloroform 0,12 Gassen (bij 273 K) waterstof 0,174 helium 0,144 neon 0,046 aardgas (Gronings) 0,029 zuurstof 0,025 stikstof 0,024 lucht 0,024 waterdamp 0,016 argon 0,016 krypton 0,0095 chloor 0,0076 Stadia van water ijs (vaste stof bij 269 K) 2,1 sneeuw (deeltjes van 0,1 to 0,5 g/cm3 bij 261 K) 0,05–0,70 gelachtig water (H3O2) [onbekend] water (vloeistof H2O bij 293 K) 0,60 waterdamp (gas bij 273 K) 0,016 Isolatiematerialen isolatieschuim op petroleumbasis EPS - geëxpandeerd polystyreen [5] 0,030 - 0,040XPS - geëxtrudeerd polystyreenschuim [5] 0,027UF - ureumformaldehydeschuim [5] 0,026 - 0,054PUR - polyurethaanschuim [5] 0,019 - 0,035PIR - polyisocyanuraatschuim [5] 0,0260PF - fenolformaldehydeschuim [5] 0,018Minerale (onbrandbare) isolatieproducten geëxpandeerde klei 0,10-0,16 vermiculiet 0,05-0,08 calciumsilicaat 0,046-0,05 cellenglas 0,036-0,058 perliet 0,35-0,050 steenwol 0,033-0,40 glaswol 0,032-0,040 vacuüm silicium 0,004-0,008 aerogel 0,004-0,028 Natuurlijke isolatieproducten hout (platen) 0,13-0,18 houtvezel 0,10-0,18 mycelium (platen) 0,058 stro 0,056 gras 0,041 kokosvezel 0,040 hennep (-wol, -vezel) 0,038-0,071 houtwol 0,038-0,045 katoen 0,038-0,042 kurk 0,038-0,040 vlas (-vezel) 0,038 cellulose (papiervlokken) 0,036-0,070 schapenwol 0,035-0,040
Factoren
[bewerken | brontekst bewerken]- Thermische coëfficiënt als bereik weergegeven in plaats van constante*
- Variatie in eigenschap*
- Mengsels*
- Structuur - kristalstructuur, nanostructuur en microstructuur*
- Oppervlak*
- Porositeit*
- Hygroscopisch*
- Warmtecapaciteit*
- Vochtigheid*
- Luchtvochtigheid*
- Waterige omgeving*
- Grootte van de ruimte (bij gassen, vloeistoffen)*
- Temperatuur*
- Naastgelegen materie*
* (vereist aanvulling)
Warmte-isolatoren
[bewerken | brontekst bewerken]Stoffen die een zeer slechte warmtegeleiding hebben heten (warmte)isolatoren. Stilstaande lucht is een goede isolator, vandaar dat het voorheen vaak als enige werd gebruikt in een spouwmuur. Dat een wollen trui of glaswol goed isoleert, komt ook door de isolatie van stilstaande lucht. Kan lucht echter stromen, dan zal de warmte veel sneller doorgegeven worden door convectie. Schuimen zijn dan ook goede isolatoren, mits zij een gesloten celstructuur hebben. Zij bevatten dan een stationair gas. De mate van isolatie hangt af van het soort gas.
Warmtegeleiders
[bewerken | brontekst bewerken]Stoffen die een zeer goede warmtegeleiding hebben worden warmtegeleiders genoemd. Warmtegeleiders worden met name gebruikt, zoals de naam al zegt, om warmte te geleiden. En dan om met name warmte af te voeren van de warmtebron.
Voorbeelden van vaste stof geleiders zijn koelplaten en koelelementen. In de praktijk ben je er niet altijd met een degelijke warmtegeleider. Zo is er bij het voorbeeld van het koelelement onvoldoende connectie met de bron om via geleiding warmte af te voeren. Het koelelement ligt als het ware er los tegen aan. Tussen de warmtebron en het koelelement wordt dan geleidende paste, in de vorm van koelpasta, toegevoegd die de contactvlakken tussen de twee materialen vergroot.
Een ander voorbeeld van een goede geleider is te zien bij een strijkijzer op hete kolen alsook de tegenwoordige normale elektrische strijkijzer die elektriciteit als warmtebron heeft.
Temperatuursafhankelijkheid
[bewerken | brontekst bewerken]De thermische geleidbaarheid is een functie van de temperatuur; vaak wordt dat verband lineair benaderd (onder de debye-temperatuur geldt echter een andere afhankelijkheid):
- hierin is:
De constante is positief voor isolatoren, en negatief voor geleiders. Bij stijgende temperatuur vermindert van veel isolatoren het isolerend vermogen, en van geleiders het geleidende vermogen.
Analogie met elektriciteit
[bewerken | brontekst bewerken]We bepalen de thermische weerstand door de dikte van een plaat te delen door de geleidbaarheid (conductie) van het materiaal:
met
- in m2K/W
- de dikte van de plaat, in meter
- de thermische conductie in W/m·K van die plaat.
Als we nu het oppervlak van de plaat delen door de weerstand, krijgen we het vermogen in watt dat per graad temperatuurverschil door de plaat zal gaan.
- in [W/K]
Dit kan natuurlijk ook direct:
Er gelden dan sterke analogieën met elektrische stroom, zie thermische weerstand.
Zie ook
[bewerken | brontekst bewerken]Warmte energie begrip
[bewerken | brontekst bewerken]- Hoofdthema Warmte
- subthema
- Warmteleer - thermodynamica
- Warmteoverdrachtsvormen - geleiding, straling en stroming
- praktische toepassingsgebied
- Thermische geleider
- Warmte-isolatie - thermische isolatie
- gerelateerde product eigenschap
Warmte energie in getallen
[bewerken | brontekst bewerken]- constante gebruik bij
- Wet van Fourier - warmteoverdracht beschrijving
- Warmteweerstand - thermische weerstand, product eigenschap
- Warmtediffusiviteit - temperatuurvereffeningscoëfficiënt, materiaal eigenschap
- indirecte gerelateerde warmte grootheid
- Warmte impedantie - thermische impedantie, product eigenschap
- Warmteoverdrachtscoëfficiënt, omgevingsconstante
- indirecte constante, gebruik bij
- Warmtedoorgangscoëfficiënt - U-waarde, thermisch productgedrag
- Warmtevergelijking - diffusievergelijking (temperatuurvariatie berekening)
- gerelateerde warmte grootheid
- Soortelijke warmte - specifieke warmtecapaciteit
Thermische geleidbaarheid als onderdeel van
[bewerken | brontekst bewerken]- ↑ Netzsch Geratebau, thermal-conductivity
- ↑ Bouwfysica 1. Vakgroep Bouwfysica TH-Delft, Delftse Uitgevers Maatschappij, 1984, ISBN 9065620486
- ↑ Ebert, H.-P. (2015) 'Functional materials for energy-efficient buildings'. EDP Sciences - SIF. p. 2 en 3
- ↑ (en) thyssenkrupp 321 Stainless Steel data sheet. Geraadpleegd op 31 augustus 2023.
- ↑ a b c d e f nbd-online.nl, Basiskennis Bouwkunde: Isolatieschuimen (EPS/XPS, PIR, PUR, PF). nbd-online.nl. Geraadpleegd op 30 mei 2023.