Przewodność cieplna

Przewodność cieplna (właściwa), przewodnictwo cieplne (właściwe), współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik przewodności cieplnej, współczynnik przewodnictwa cieplnego (symbol: $\lambda$ 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 współczynnik przewodności cieplnej

Dla ustalonego przepływu ciepła przez ciało w kształcie prostopadłościanu, które nie gromadzi ani nie wydziela ciepła, przewodzącego ciepło między przeciwległymi ściankami, ilość przekazanej energii cieplnej $Q$ jest proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego przegrody $S,$ różnicy temperatur $\Delta T$ w kierunku przewodzenia ciepła, czasu przepływu ciepła $t$ oraz jest odwrotnie proporcjonalna do grubości przegrody $d,$ czyli

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

gdzie: $\lambda$ – współczynnik przewodności cieplnej.

Z powyższego wynika wzór:

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

Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła w układzie SI jest

${\Bigg [}{\frac {J}{msK}}{\Bigg ]}={\Bigg [}{\frac {W}{mK}}{\Bigg ]}.$

Współczynnik ten zależy od substancji, w której ciepło przepływa.

Wyżej wymienione wzory są prawdziwe dla wymiany ciepła odbywającej się tylko przez jednorodną przegrodę cieplną oraz w warunkach takich, że nie występuje ani promieniowanie cieplne, ani konwekcja (te ostatnie dwa zjawiska nie są proporcjonalne do różnicy temperatur, ale zależą od innych fizycznych parametrów ciał).

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 ciepła

Strumień ciepła, czyli iloraz ilości ciepła $dQ$ do czasu trwania jego przepływu, określony dla powyższych warunków, wyrażony jest przez równania różniczkowe:

${\frac {dQ}{dt}}(x,y,z)=-\lambda \cdot \operatorname {grad} T(x,y,z),$

gdzie: $\operatorname {grad} T$ – gradient temperatury, czyli wektor, wskazujący na kierunek najszybszego spadku temperatury w danym punkcie:

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.

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 $\lambda$ 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.

Przykładowe wartości

Materiał	Przewodność cieplna W/(m·K)
grafen	4840–5300
diament	900–2320
srebro	429
miedź	370–400
złoto	317
stopy aluminium	200
mosiądz	110
nikiel	90,7
stal	58
żelbet	1,7
gleba	1,5
cegła	0,8
woda	0,6
gips	0,51
drewno	0,2
śnieg (suchy)	0,05–0,25
słoma	0,05–0,08
perlit ekspandowany	0,040–0,047
wełna szklana	0,030–0,042
wełna mineralna	0,035–0,045
celuloza	0,039
styropian	0,036
polistyren ekstrudowany	0,035
pianka poliuretanowa bez osłony	0,035
pianka poliuretanowa w szczelnej osłonie	0,025
powietrze (nieruchome)	0,025
aerożel	0,017

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

Zobacz też

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