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Wärmeleitfähigkeit

Definition: ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie zu leiten

Englisch: heat conductivity, thermal conductivity

Kategorien: Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

Formelsymbol: λ

Einheit: W / (m K)

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.08.2010; letzte Änderung: 31.07.2019

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

Wärmeleitung

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.

Im Baubereich spricht man oft auch von Wärmeleitfähigkeitsgruppen (WLG). Beispielsweise bedeutet WLG 040 eine Wärmeleitfähigkeit von 0,040 W / (m K) = 40 mW / (m K).

Zusammenhang mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten

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 / (m K)) einen U-Wert von 2,2 W / (m K) / 0,5 m = 4,4 W / (m2 K). Man sieht, dass eine gute Dämmwirkung (ein kleiner Wärmedurchgangskoeffizient) erzielt wird durch Wahl einer dicken Schicht eines Materials mit niedrigem λ-Wert, wobei bei niedrigem λ-Wert eine geringere Dicke genügt. Beispielsweise dämmen 20 cm Polyurethan oder Polystyrol weitaus besser als selbst sehr dicke Mauerwände.

Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Materialien

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
Ziegel mit feinen Poren oder Dämmstoff in Hohlräumen z.B. 0,1
Kalksandstein 0,5 bis 1,3
Kalkstein 2,2 bis 2,5
Fensterglas (reines Glas, nicht Doppelverglasung o. ä.) 0,75
Stahl ca. 15 bis 60
Aluminium 200
Kupfer 380
massives Holz 0,1 – 0,2
Holzfaserplatten 0,04 – 0,05
Zellstoffflocken 0,04
Glaswolle 0,032 – 0,050
expandiertes Polystyrol (EPS) 0,035 – 0,050
Polyurethan (PUR) 0,024 – 0,035
Aerogele 0,015 – 0,02
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. So besteht etwa Edelstahl weitgehend aus Eisen und hat trotzdem eine weitaus geringere Wärmeleitfähigkeit als reines Eisen. Ein anderes Beispiel ist Porenbeton: Hier führt ein höherer Volumenanteil der Poren zu einer geringeren Dichte und einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, allerdings auch einer geringeren mechanischen Stabilität.

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.

Tendenziell haben Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und umgekehrt. (Dies liegt daran, dass gewisse elektronische Eigenschaften für beide Leitungsphänomene relevant sind.) Es ist also schwierig, Materialien für schlecht wärmeleitende Stromkabel oder für gut wärmeleitende elektrische Isolatoren zu finden. Es gibt aber Ausnahmen – beispielsweise ist Diamant ein sehr guter Wärmeleiter und trotzdem ein ausgezeichneter elektrischer Isolator.

Bei Gasen und Flüssigkeiten gelten die Werte unter der Annahme, dass sich nichts bewegt – was in der Praxis womöglich völlig unrealistisch ist. Beispielsweise würde man die Dämmwirkung der Luftschicht zwischen den zwei Scheiben einer Doppelverglasung sehr überschätzen, wenn man sie mit Hilfe des λ-Werts von Luft berechnen würde, 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. Die Funktion vieler Wärmedämmmaterialien basiert darauf, dass sie viel Luft enthalten, dass diese jedoch durch Einschluss in kleine Blasen oder Poren daran gehindert wird, sich im Material zu bewegen.

Siehe auch: Wärmeleitung, Wärme, Wärmedurchgangskoeffizient, Wärmewiderstand, Wärmedämmung, Wärmedämmmaterial
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, physikalische Grundlagen, Wärme und Kälte

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