www.energie-lexikon.info
Das RP-Energie-Lexikon
Wärmeleitfähigkeit | <<< | >>> | Feedback |
Der aktuelle Film "Bulb Fiction" über Energiesparlampen betreibt Panikmache – ein Artikel über Quecksilber in Lampen und eine Kritik des Films klären die Fakten.
Sie können den Aufbau dieses Lexikons als Sponsor unterstützen. Damit leisten Sie einen Beitrag für die Allgemeinheit, der von vielen Lesern wahrgenommen wird.
Dieser Artikel lädt ein, Ansichten über die chinesischen CO2-Emissionen sowie über unsere Beiträge zum Klimaschutz zu überdenken.
Tipp: Neben den Lexikon-Artikeln gibt es noch diverse interessante Extra-Artikel!
Definition: ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie zu leiten
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl λ eines Materials ist ein quantitatives Maß für seine Fähigkeit, Energie in Form von Wärme durchzuleiten. Sie wird angegeben in der Einheit W / (m K) (Watt pro Meter und Kelvin). Sie ist der Kehrwert des spezifischen Wärmewiderstands.
Die Angabe lässt sich wie folgt verstehen. Man nehme an, dass man einen Quader aus dem Material hat, bei dem eine Seitenfläche auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, während die gegenüber liegende Seitenfläche eine um 1 K höhere Temperatur hat. Die anderen Seitenflächen seien thermisch isoliert, so dass keine Wärme dort entweichen oder eindringen kann. Dann ergibt sich, sobald sich ein Gleichgewicht (stationärer Zustand) eingestellt hat, ein Wärmefluss durch den Quader, dessen Leistung P gemäß der Formel
berechnet werden kann. Hier ist d die Dicke des Quaders, d. h. der Abstand der beiden zuerst genannten Seitenflächen, ΔT der Temperaturunterschied dazwischen und A deren Fläche. Der Wärmefluss wird also umso stärker, je größer die Wärmeleitzahl λ, die Fläche und der Temperaturunterschied sind, und je dünner der Quader ist.
Man erkennt leicht, dass der Zahlenwert von λ die fließende Wärmeleistung in Watt ist, wenn man einen Würfel der Kantenlänge 1 m aus dem Material anfertigt und zwei gegenüber liegende Seitenflächen einen Temperaturunterschied von 1 K haben.
Der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) einer Platte aus einem homogenen Material berechnet sich als der λ-Wert dividiert durch die Dicke. Beispielsweise hat eine 0,5 m dicke Wand aus Kalkstein (λ = 2,2 W / (K m)) einen U-Wert von 2,2 W / (m K) / 0,5 m = 4,4 W / (m2 K). Man sieht, dass eine optimale Dämmwirkung (ein kleiner Wärmedurchgangskoeffizient) erzielt wird durch Wahl einer dicken Schicht eines Materials mit niedrigem λ-Wert – beispielsweise dämmen 20 cm Polyurethan weitaus besser als selbst sehr dicke Mauerwände.
Die folgende Tabelle gibt die Wärmeleitzahlen einiger Materialien an, die im Zusammenhang mit Energie in Gebäuden besonders wichtig sind.
| Material | λ-Wert in W / (m K) |
|---|---|
| kompakter Beton | 2,1 |
| Porenbeton (Gasbeton) | z. B. 0,2 |
| Ziegelmauerwerk | 0,5 bis 1,4 |
| Kalkstein | 2,2 |
| Fensterglas | 0,75 |
| Stahl | ca. 15 bis 60 |
| Aluminium | 200 |
| Kupfer | 380 |
| expandiertes Polystyrol (EPS) | 0,035 – 0,050 |
| Polyurethan (PUR) | 0,024 – 0,035 |
| Glaswolle | 0,032 – 0,050 |
| Wasser | 0,56 |
| Luft | 0,0262 |
Tabelle 1: λ-Werte verschiedener Materialien.
Man beachte, dass die tatsächlichen Werte bei vielen Stoffen je nach genauer Zusammensetzung und Dichte deutlich variieren können. Beispielsweise haben reine Metalle meist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, die jedoch beim Legieren mit anderen Metallen oder durch Verunreinigungen stark reduziert werden kann.
Tendenziell haben Materialien mit hoher elektrische Leitfähigkeit auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und umgekehrt. Es ist also schwierig, Materialien für schlecht wärmeleitende Stromkabel oder für gut wärmeleitende elektrische Isolatoren zu finden.
Bei Gasen und Flüssigkeiten gelten die Werte unter der Annahme, dass sich nichts bewegt – was in der Praxis womöglich völlig unrealistisch ist. Beispielsweise kann die Dämmwirkung der Luftschicht zwischen den zwei Scheiben einer Doppelverglasung nicht mit Hilfe des λ-Werts von Luft berechnet werden, da eine Konvektion (Umwälzung) der Luft entsteht, sobald ein Temperaturunterschied zwischen den Scheiben herrscht. Die Wärme wird dann nicht vorrangig durch Wärmeleitung übertragen, sondern durch den Transport der erwärmten Luft. Viele Materialien für die Wärmedämmung basieren darauf, dass sie viel Luft enthalten, dass diese jedoch durch Einschluss in kleine Blasen oder Poren daran gehindert wird, sich im Material zu bewegen.
Bei vielen Baustoffen (etwa bei Mauerwerk) kann die Wärmeleitfähigkeit erheblich ansteigen, wenn Feuchtigkeit auftritt. Die Werte in Tabellen wie oben gelten natürlich jeweils für den trockenen Zustand, sind dann also nicht mehr gültig. Wenn beispielsweise eine Außenwand eines nicht wärmegedämmten Hauses auf der Innenseite feucht wird, weil dort der Taupunkt unterschritten wird, steigen die Wärmeverluste weiter an, und die Feuchtigkeitsbildung wird nochmals verstärkt. Diese Situation ist unbedingt zu vermeiden, allein schon wegen der Gefahr der Schimmelbildung.
Siehe auch: Wärmeleitung, Wärme, Wärmedurchgangskoeffizient, Wärmewiderstand, Wärmedämmung