Przewodność cieplna

Przewodność cieplna (właściwa), przewodnictwo cieplne (właściwe), współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik przewodności cieplnej, współczynnik przewodnictwa cieplnego (symbol: λ lub k) – właściwość fizyczna ciała opisująca zdolność substancji do przekazywania energii wewnętrznej przez przewodzenie ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większej przewodności cieplnej.

Definicja

Dla ustalonego przepływu ciepła przez ciało w kształcie prostopadłościanu, które nie gromadzi ani nie wydziela ciepła, przewodzącego ciepło między przeciwległymi ściankami, ilość przekazanej energii jest zależna od substancji, proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego przegrody, różnicy temperatur oraz czasu przepływu ciepła i odwrotnie proporcjonalna do grubości przegrody:

${\displaystyle Q=\lambda {\frac {S\Delta Tt}{d}}}$

Z powyższego wynika, że współczynnik przewodności cieplnej określa wzór:

${\displaystyle \lambda ={\frac {Q}{t}}{\frac {d}{S\Delta T}},}$

Wyżej wymienione wzory są prawdziwe dla wymiany ciepła odbywającej się tylko przez przewodzenie ciepła, gdy nie występuje ani promieniowanie cieplne, ani konwekcja (nie są one proporcjonalne do różnicy temperatur, natomiast zależą od innych fizycznych parametrów ciał), a rozważana przegroda cieplna jest jednorodna. W technice, szczególnie w budownictwie, model ten przyjmuje się dla przegród cieplnych w budowlach, w których oprócz przewodnictwa zachodzi na ich granicy konwekcja i promieniowanie.

Strumień przewodzonego ciepła określony dla powyższych warunków, wyrażony przez równania różniczkowe:

${\displaystyle {\dot {q}}=-\lambda \cdot \mathrm {grad} T}$

gdzie:

• Q – ilość ciepła przepływającego przez ciało
• λ – współczynnik przewodnictwa cieplnego
• S – pole przekroju, przez który przepływa ciepło
• t – czas przepływu
• ΔT – różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła
• d – grubość przegrody.
• grad T – wektor spadku temperatury.

Współczynnik proporcjonalności (λ) we wzorze nosi nazwę współczynnika przewodzenia ciepła.

Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła jest w układzie SI J/(m·s·K) = W/(m·K).

W ośrodkach anizotropowych przewodzenie ciepła zależy od kierunku jego przepływu i może mieć inny kierunek niż gradient temperatury. Zależności takie dla stanu ustalonego można wyrazić przyjmując, że współczynnik przewodzenia ciepła jest tensorem drugiego rzędu^[1].

Właściwości

Współczynnik przewodzenia ciepła nie jest wielkością stałą, zależy od takich czynników jak m.in.: struktura ciała, ciśnienie, temperatura, gęstość czy też wilgotność. Przy czym przy przeprowadzaniu obliczeń z zakresu wymiany ciepła najistotniejsza jest znajomość zależności współczynnika od temperatury.

W ciałach stałych przewodzenie ciepła zachodzi poprzez ruch swobodnych elektronów (głównie dla metali) oraz drgania atomów w sieci krystalicznej (dla dielektryków). Największymi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła charakteryzują się metale, które są najlepszymi przewodnikami elektryczności. Dla dielektryków wartość λ waha się w granicach od 0,02 do 3,0 W/(m·K). Dlatego też materiały te stosowane są jako izolacje cieplne.

Stosunkowe niskie wartości współczynnika posiadają gazy oraz ciecze, gdzie mechanizm przewodzenia ciepła opiera się na zderzeniach cząstek oraz dyfuzji. Z tego względu materiały stosowane do izolacji często posiadają pory wypełnione powietrzem lub innym gazem.

Przeprowadzając obliczenia inżynierskie, przyjmuje się uśrednione wartości współczynnika przewodzenia ciepła podawane w tablicach^[2].

Uwaga: Podane współczynniki przewodności cieplnej obowiązują dla temperatury 20 °C i wilgotności względnej 50%.

Zobacz też

• równanie przewodnictwa cieplnego
• współczynnik wyrównania temperatur
• współczynnik przenikania ciepła
• opór cieplny

Przypisy