Thermische geleidbaarheid

Thermische isolatoren hebben een lage waarde van λ, geleiders een hoge. 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 elektronengas bezitten dat zowel warmte als 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 trillingwijzen volledig over het hele kristal uitgespreid (gedelocaliseerd).

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 (warmte) kan daarom niet zo gemakkelijk naar de buuratomen doorgegeven worden.

Stoffen die een zeer slechte warmtegeleiding hebben heten (warmte)isolatoren. Stilstaande lucht is een erg goede isolator, vandaar dat het vaak als isolatie gebruikt wordt (in een spouwmuur, in gaatjes van een wollen trui of in glaswol). 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.

De thermische geleidbaarheid is een functie van de temperatuur; vaak wordt dat verband lineair benaderd (onder de Debye-temperatuur geldt echter een andere afhankelijkheid):

${\displaystyle k=k_{0}(1+aT)}$

hierin is:

• k₀ de geleidbaarheid bij nul graden Celsius
• a een constante afhankelijk van het materiaal
• T de temperatuur (in graden Celsius)

a is positief voor isolatoren, en negatief voor geleiders; dus bij stijgende temperatuur verliest een isolator van zijn isolerende kracht, en een geleider van zijn geleidende kracht.

We bepalen de thermische weerstand door de dikte van een plaat te delen door de geleidbaarheid (conductie) van het materiaal;

${\displaystyle R={\frac {d}{\lambda }}}$

R in m²K/W

d de dikte in m van de plaat

λ de thermische conductie in W/mK van die plaat.

Als we nu het oppervlak van de plaat delen door de weerstand dan krijgen we het vermogen in watt dat per graad temperatuurverschil door de plaat zal gaan.

${\displaystyle {\frac {P}{T}}={\frac {A}{R}}}$

in W/K

Dit kan natuurlijk ook direct:

${\displaystyle {\frac {P}{T}}={\frac {A\lambda }{d}}}$

Er gelden dan sterke analogieën met elektrische stroom, zie thermische weerstand.

• Warmteoverdrachtscoëfficiënt
• Warmtedoorgangscoëfficiënt