Varmeledning – Fysikleksikon - Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Fysikleksikon > V > varmeledning

15. januar 2022

Varmeledning

Grundbeskrivelse

Opvarmning af en metalstang. Både frie elektroner og vibrationer er med til at sprede varmen i materialet. (Chano Birkelind)

Hvis man har en metalstang, og varmer den ene ende op ved for eksempel at stikke den ind i en flamme, vil den anden ende, efter noget tid, blive lige så varm som den i ilden. Det kaldes varmeledning. 

Men ikke alle stoffer leder varme lige godt.

 

Luft er for eksempel en dårlig varmeleder, mens metaller er gode. I en termokande udnytter man, at luft, eller mangel på samme, har meget ringe varmelederegenskaber ved at have en gas fanget mellem inder- og ydervæg - eller i nogle tilfælde at have et vakuum i stedet for gassen.

 

Varmeledning foregår på forskellige måder, alt efter om man har en gas, et metal eller et ikke-metal.

Overordnet set er der to måder, varme kan ledes på. Enten ved, at vibrationer spreder sig i atomgitteret eller ved sammenstød mellem partikler. Derfor finder der heller ingen transport sted ved et perfekt vakuum. 

Uddybende beskrivelse

Varmeledningen i metalstanges tilfælde sker, fordi atomgitteret og de frie elektroner i stangen sættes i bevægelse. Jo varmere stangen er, jo mere bevæger de sig, og omvendt.

De hurtige vibrationer i den varme ende spreder sig til den kolde ende, og hurtige elektroner støder sammen med langsomme, så man overordnet set får en større energioverførsel til de langsomme end den anden vej.

Bevægelsen spreder sig op igennem materialet og i sidste ende til ens hånd, så man brænder sig.

I gasser overføres varmen ved direkte kollision mellem partikler, og fordi der er relativt langt imellem partiklerne i en gas, vil dens varmeledningsevne være tilsvarende lille.

Lettere gasser, som for eksempel hydrogen og helium, har højere varmeledningsevne end tungere gasser som argon. Det skyldes, at mere energi absorberes i tungere partikler end i lette. De lette gasser vil derfor transportere varmen bedre, fordi de enkelte partikler får højere hastigheder under sammenstød.

For faste stoffer gælder det generelt, at ikke-metaller spreder varmen udelukkende ved, at atomgitteret vibrerer, og disse vibrationer spreder sig ud gennem materialet i bølger. Mens det for metaller både er atomgitteret og de frie elektroner, der transporterer varmen videre ved hhv. vibrationer og sammenstød. De frie elektroner i metaller er også det, der gør, at metaller er elektrisk ledende, og af denne grund er gode elektriske ledere også de bedste varmeledere.

 

Alligevel er elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne ikke det samme. Har man for eksempel et metal, hvor de to former for ledningsevne er af samme størrelsesorden ved en given temperatur, og så varmer det op, vil metallets elektriske ledningsevne falde, mens varmeledningsevnen øges.

Opvarmning af en stang ikke-metal. Kun vibrationer spreder varmen i materialet. (Chano Birkelind)

 


Forholdet mellem de to er udtrykt ved Wiedemann-Franz lov

\[L=\frac{\kappa}{\sigma T}\]

Hvor \(\kappa\) er varmeledningsevnen for materialet, \(\sigma\) er materialets elektriske ledningsevne, T temperaturen og L kaldes Lorentz-tallet.

Den lavere elektriske ledningsevne skal forklares ved, at elektronernes hastighed øges, og derfor videreføres mere varme. Samtidig afbøjes de fra deres kurs, og man mister derfor elektrisk ledningsevne.

Den specifikke varmeledningsevne \(\kappa\), der til tider også kaldes den specifikke termiske konduktivitet, for et stof er defineret som:

\[\kappa =\frac{Q}{t} \cdot \frac{d}{A(T_{varm}-T_{kold})}\]

Hvor \(\kappa\) er varmeledningsevnen for materialet, og \(T_{varm}-T_{kold}\) er temperaturforskellen. \(\frac{Q}{t}\) er den mængde varme, der transporteres over tid t gennem overfladen med arealet A og tykkelsen d.

Udtrykket kan nemt omskrives, hvis man allerede kender materialets varmeledningsevne, men er interesseret i at vide, hvor meget varme der forlader et rum gennem en flade (for eksempel en rude eller en dør). Ligningen vil da være:

\[\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A(T_{varm}-T_{kold})}{d}\]

Den kan give et groft indtryk af varmetabet i ens eget hus, hvis det benyttes på alle husets flader. 

Chano Birkelind