Przewodność cieplna
Przewodność cieplna to proces przekazywania energii cieplnej między obszarami o różnej temperaturze. Ciepło zawsze przepływa od obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze, dążąc do osiągnięcia stanu równowagi termicznej. Przewodność cieplna opisuje, jak łatwo ciepło przepływa przez dany materiał.
W przypadku ciał stałych, przewodzenie ciepła odbywa się poprzez drgania atomów i ruch elektronów. Materiały o wysokiej przewodności cieplnej, takie jak metale, charakteryzują się silnymi wiązaniami międzyatomowymi, co ułatwia przekazywanie energii cieplnej. Natomiast materiały o niskiej przewodności cieplnej, takie jak drewno czy styropian, mają luźniejszą strukturę i słabsze wiązania, co utrudnia przepływ ciepła.
Współczynnik przewodności cieplnej
Współczynnik przewodności cieplnej, oznaczany symbolem λ (lambda), jest miarą ilościową przewodności cieplnej materiału. Określa on ilość ciepła, jaka przepływa przez jednostkową powierzchnię materiału o jednostkowej grubości w jednostce czasu, przy różnicy temperatur wynoszącej jeden kelwin (lub jeden stopień Celsjusza).
Wartość współczynnika λ zależy od rodzaju materiału, jego struktury, gęstości, wilgotności oraz temperatury. Im wyższa wartość współczynnika λ, tym lepszym przewodnikiem ciepła jest dany materiał. Na przykład, miedź ma współczynnik λ równy około 400 W/(m·K), podczas gdy styropian ma λ około 0,04 W/(m·K), co oznacza, że miedź przewodzi ciepło około 10 000 razy lepiej niż styropian.
Przewodność cieplna jednostka
Jednostką współczynnika przewodności cieplnej w układzie SI jest wat na metr na kelwin (W/(m·K)). Oznacza to, że wartość 1 W/(m·K) wskazuje, że przez materiał o grubości 1 metra i powierzchni 1 metra kwadratowego przepłynie 1 wat mocy cieplnej, gdy różnica temperatur między jego stronami wyniesie 1 kelwin.
W praktyce, oprócz jednostki W/(m·K), można spotkać również inne jednostki przewodności cieplnej, takie jak: BTU/(h·ft·°F) (brytyjska jednostka cieplna na godzinę na stopę na stopień Fahrenheita), cal/(s·cm·°C) (kaloria na sekundę na centymetr na stopień Celsjusza) czy kcal/(h·m·°C) (kilokaloria na godzinę na metr na stopień Celsjusza). Ważne jest, aby zawsze zwracać uwagę na jednostki, w jakich podana jest wartość współczynnika λ, aby uniknąć błędów w obliczeniach.
Przewodność cieplna wzór
Przewodność cieplna może być obliczona za pomocą prawa Fouriera, które opisuje przepływ ciepła przez przewodzenie. Prawo to mówi, że strumień ciepła (Q) jest proporcjonalny do gradientu temperatury (ΔT) i powierzchni (A), przez którą ciepło przepływa, a odwrotnie proporcjonalny do grubości materiału (d). Matematycznie można to zapisać wzorem:
Q = -λ * A * (ΔT) / d
Gdzie:
- Q – strumień ciepła [W]
- λ – współczynnik przewodności cieplnej [W/(m·K)]
- A – powierzchnia, przez którą przepływa ciepło [m²]
- ΔT – różnica temperatur między stronami materiału [K]
- d – grubość materiału [m]
Z tego wzoru można wyprowadzić wzór na współczynnik przewodności cieplnej:
λ = -Q * d / (A * ΔT)
Przewodność cieplna metali tabela
Metale są zazwyczaj dobrymi przewodnikami ciepła ze względu na obecność wolnych elektronów, które mogą łatwo przenosić energię cieplną. Poniższa tabela przedstawia przykładowe wartości współczynnika przewodności cieplnej dla wybranych metali:
| Metal | Przewodność cieplna [W/(m·K)] |
|---|---|
| Srebro | 429 |
| Miedź | 401 |
| Złoto | 317 |
| Aluminium | 237 |
| Żelazo | 80 |
| Stal nierdzewna | 16 |
Przewodność cieplna materiałów
Różne materiały mają różne wartości współczynnika przewodności cieplnej. Poniżej przedstawiono przykładowe wartości dla popularnych materiałów budowlanych i innych:
Przewodność cieplna metali
Jak wspomniano wcześniej, metale charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną. Wartości λ dla metali wahają się od kilkudziesięciu do kilkuset W/(m·K). Przykładowo, miedź ma λ = 401 W/(m·K), aluminium λ = 237 W/(m·K), a stal nierdzewna λ = 16 W/(m·K).
Przewodność cieplna tabela
| Materiał | Przewodność cieplna [W/(m·K)] |
|---|---|
| Powietrze | 0,026 |
| Styropian | 0,03 – 0,04 |
| Wełna mineralna | 0,03 – 0,05 |
| Drewno | 0,13 – 0,26 |
| Beton | 1,7 |
| Szkło | 0,8 |
| Woda | 0,6 |
Przewodność cieplna aluminium
Aluminium jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, jego λ wynosi około 237 W/(m·K). Dzięki temu znajduje szerokie zastosowanie w urządzeniach, gdzie wymagane jest szybkie i efektywne odprowadzanie ciepła, np. w radiatorach, chłodnicach czy garnkach.
Przewodność cieplna miedzi
Miedź jest jeszcze lepszym przewodnikiem ciepła niż aluminium, jej λ wynosi około 401 W/(m·K). Jest to jeden z powodów, dla których miedź jest stosowana w instalacjach elektrycznych i elektronicznych do produkcji przewodów, kabli i elementów odprowadzających ciepło.
Przewodność cieplna pasty termoprzewodzącej
Pasta termoprzewodząca to materiał o wysokiej przewodności cieplnej, stosowany do wypełniania nierówności pomiędzy stykającymi się powierzchniami, np. procesora i radiatora. Dzięki temu poprawia się przepływ ciepła i obniża temperatura komponentów. Wartości λ dla past termoprzewodzących wynoszą od kilku do kilkunastu W/(m·K).
Przewodność cieplna stali
Stal ma stosunkowo wysoką przewodność cieplną, λ wynosi około 80 W/(m·K). Jest to powód, dla którego stalowe garnki szybko się nagrzewają. Jednakże, stal jest gorszym przewodnikiem ciepła niż aluminium czy miedź.
Przewodność cieplna powietrza
Powietrze jest bardzo słabym przewodnikiem ciepła, jego λ wynosi zaledwie 0,026 W/(m·K). Dlatego też stosuje się je jako izolator termiczny, np. w oknach z szybami zespolonymi, gdzie przestrzeń między szybami wypełniona jest powietrzem lub gazem szlachetnym.
Przewodność cieplna styropianu
Styropian jest materiałem o bardzo niskiej przewodności cieplnej, λ wynosi około 0,03 – 0,04 W/(m·K). Dzięki temu jest on powszechnie stosowany jako materiał izolacyjny w budownictwie do ocieplania ścian, dachów czy fundamentów.
Przewodność cieplna wody
Woda ma wyższą przewodność cieplną niż powietrze, λ wynosi około 0,6 W/(m·K). Oznacza to, że woda szybciej odbiera i przekazuje ciepło niż powietrze. Dlatego też kąpiel w zimnej wodzie powoduje szybsze wychłodzenie organizmu niż przebywanie w zimnym powietrzu.
Przewodność cieplna betonu
Beton ma stosunkowo wysoką przewodność cieplną, λ wynosi około 1,7 W/(m·K). Dlatego też domy z betonu nagrzewają się latem i szybko wychładzają zimą. Aby poprawić izolację termiczną budynków z betonu, stosuje się materiały izolacyjne.
Przewodność cieplna stali nierdzewnej
Stal nierdzewna ma niższą przewodność cieplną niż stal zwykła, λ wynosi około 16 W/(m·K). Jest to jeden z powodów, dla których stal nierdzewna jest chętnie stosowana do produkcji garnków, ponieważ wolniej się nagrzewa i dłużej utrzymuje ciepło.
Przewodność cieplna drewna
Drewno ma niską przewodność cieplną, λ wynosi około 0,13 – 0,26 W/(m·K). Jest to jeden z powodów, dla których domy z drewna są ciepłe zimą i chłodne latem. Drewno jest dobrym materiałem izolacyjnym.
Przewodność cieplna szkła
Szkło ma wyższą przewodność cieplną niż drewno, λ wynosi około 0,8 W/(m·K). Dlatego też okna stanowią newralgiczny punkt w izolacji termicznej budynków. Aby zmniejszyć straty ciepła przez okna, stosuje się szyby zespolone, w których przestrzeń między szybami wypełniona jest gazem szlachetnym o niskiej przewodności cieplnej.
Przewodność cieplna paneli podłogowych
Przewodność cieplna paneli podłogowych zależy od materiału, z którego są wykonane. Panele laminowane i winylowe mają zazwyczaj wyższą przewodność cieplną niż panele drewniane. Aby poprawić komfort cieplny podłóg z paneli, stosuje się podkłady o niskiej przewodności cieplnej.
Przewodność cieplna materiałów budowlanych
Współczynnik przewodności cieplnej jest jednym z najważniejszych parametrów materiałów budowlanych. Wpływa on na komfort cieplny w budynkach i koszty ogrzewania. Im niższa wartość λ, tym lepsza izolacja termiczna. Do materiałów o niskiej przewodności cieplnej, stosowanych jako izolacje, należą m.in.: styropian, wełna mineralna, pianka poliuretanowa.
Stal nierdzewna przewodność cieplna
Jak wspomniano wcześniej, stal nierdzewna ma niższą przewodność cieplną niż stal zwykła, λ wynosi około 16 W/(m·K). Dzięki temu stal nierdzewna jest chętnie stosowana do produkcji urządzeń grzewczych, np. grzejników, ponieważ wolniej się nagrzewa i dłużej utrzymuje ciepło.
