Przewodnictwo cieplne odnosi się do przenoszenia energii cieplnej w obiekcie lub pomiędzy stykającymi się obiektami w wyniku różnic temperatur. Proces ten zachodzi bez makroskopowego ruchu materii, opierając się zamiast tego na interakcjach mikroskopijnych cząstek. Dwa główne mechanizmy napędzają przewodzenie ciepła:
Ciepło zawsze przepływa z obszarów o wyższej temperaturze do niższej, aż do osiągnięcia równowagi. Zjawisko to występuje zarówno w obrębie pojedynczych obiektów, jak i pomiędzy stykającymi się powierzchniami – na przykładzie ciepłych dłoni chwytających filiżankę gorącej kawy.
Przewodność cieplna (k) określa ilościowo zdolność materiału do przenoszenia ciepła, zdefiniowaną jako strumień ciepła na jednostkę gradientu temperatury. Równanie rządzące to:
q = -k * (dT/dx)
Gdzie q oznacza strumień ciepła (W/m²), k to przewodność cieplna (W/(m·K)), a dT/dx oznacza gradient temperatury (K/m). Wyższe wartości k wskazują na lepszą zdolność wymiany ciepła.
Ogólnie rzecz biorąc, ciała stałe wykazują większą przewodność cieplną niż ciecze, które pod względem przewodności przewyższają gazy. Hierarchia ta wynika z gęstości upakowania cząsteczek – ciasno ułożone struktury ciał stałych ułatwiają bardziej efektywny transfer energii. Na przykład niska przewodność powietrza (≈0,024 W/(m·K)) sprawia, że idealnie nadaje się ono do izolacji, podczas gdy wysoka przewodność metali nadaje się do zastosowań w radiatorach.
Trzy różne tryby wymiany ciepła działają w oparciu o różne zasady fizyczne:
Najbardziej praktyczne scenariusze obejmują połączone mechanizmy wymiany ciepła, które jednocześnie wpływają na rozkład temperatury.
Wyjątkowa przewodność metali wynika z ich zdelokalizowanych chmur elektronów. Po podgrzaniu te ruchome elektrony szybko rozpraszają energię cieplną przez sieć w wyniku zderzeń. Ten transfer za pośrednictwem elektronów okazuje się o rzędy wielkości skuteczniejszy niż przewodzenie fononów w niemetalach, co wyjaśnia dominującą wydajność cieplną metali.
Metale nieszlachetne wykazują znaczne zmiany przewodności w temperaturze pokojowej:
Chociaż srebro przoduje pod względem przewodności, jego koszty ograniczają zastosowanie do specjalistycznych zastosowań. Miedź i aluminium dominują w przemysłowych systemach zarządzania ciepłem (radiatory, wymienniki) ze względu na zrównoważoną wydajność i ekonomikę. Niższa przewodność stali nierdzewnej odpowiada potrzebom w zakresie izolacji termicznej, takim jak naczynia kuchenne i zbiorniki do przechowywania.
Optymalny dobór metalu wymaga oceny wielokryterialnej:
Zaawansowane kompozyty łączą zalety materiałowe w celu lepszego zarządzania ciepłem. Przykłady obejmują:
Innowacje te obiecują rewolucyjne rozwiązania termiczne w różnych branżach.