De krachten achter warmtegeleiding en hoe deze wordt toegepast
Warmteoverdracht is een van de belangrijkste fysische krachten die alle reacties op deze planeet aandrijft. Warmteoverdracht wordt beheerst door de wetten van de thermodynamica en maakt het mogelijk om energie te gebruiken en toe te passen om talloze alledaagse systemen aan te drijven. Het mechanisme van warmteoverdracht wordt verklaard door de eerste wet van de thermodynamica. Deze wet stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden overgedragen tussen systemen. Het is onvermijdelijk dat bij de overdracht van energie tussen twee systemen een deel verloren gaat aan de omgeving. Deze verloren energie komt voor in de vorm van warmte en kan ook thermische energie worden genoemd. De thermische energie die zich in een systeem bevindt, is verantwoordelijk voor de temperatuur van de omgeving.
Methodes van warmteoverdracht
Er zijn drie methoden die warmteoverdracht mogelijk maken. Deze methoden staan bekend als geleiding, convectie en straling.
Straling brengt warmte over met behulp van elektromagnetische golven en brengt geen interactie tussen materie met zich mee. Warmte die afkomstig is van de zon is een voorbeeld van straling.
Convectie komt voor in vloeistoffen en gassen en beschrijft de verplaatsing van warmte van de ene plaats naar de andere, vergemakkelijkt door de beweging van vloeistoffen. Wanneer vloeistoffen worden verwarmd, zetten zij uit en worden zij minder dicht. De hete vloeistof stijgt op en verdringt de koude vloeistof die zich erboven bevindt door deze naar beneden te duwen in de richting van de warmtebron. Deze koude vloeistof wordt verwarmd en stijgt naar boven, waardoor een constante vloeistofstroom ontstaat van een gebied met veel warmte naar een gebied met weinig warmte. Convectie verklaart hoe plintradiatoren een hele kamer kunnen verwarmen. De warme lucht die door de radiatoren wordt gegenereerd, stroomt snel omhoog en duwt de koude lucht naar beneden, naar de verwarming op de vloer, waardoor een constante luchtstroom ontstaat.
Warmteoverdracht door geleiding is de overdracht van warmte tussen twee materialen door contact van het oppervlak. Er wordt geen materie uitgewisseld tussen de materialen, alleen energie. Deze vorm van warmteoverdracht vindt plaats in vaste materialen en wordt veroorzaakt door de trillingen van deeltjes. Wanneer zij worden blootgesteld aan een energiestroom beginnen de deeltjes in een vaste stof te wiebelen, te roteren en te vibreren, waarbij kinetische energie wordt gecreëerd. Een veelvoorkomend voorbeeld van geleiding is het opwarmen van een pan op een fornuis. De warmte van de brander wordt rechtstreeks overgedragen op het oppervlak van de pan. Temperatuur is een maat voor de hoeveelheid kinetische energie die door de deeltjes in een materiemonster wordt verwerkt. Hoe meer kinetische energie een materiaal heeft, hoe hoger de interne temperatuur zal zijn.
Figuur 1: Mechanismen van warmteoverdracht diagram
Warmteoverdracht in metalen
Materie met een hoge kinetische energie zal ook een hoge thermische geleidbaarheid hebben. De thermische geleidbaarheid beschrijft hoe efficiënt een materiaal warmte kan geleiden. Het wordt gedefinieerd door de snelheid van de energiestroom per oppervlakte-eenheid in vergelijking met een temperatuurgradiënt. De meeste geleidingswaarden worden uitgedrukt in Watt per meter per graad Kelvin W/m-K.
Het warmtegeleidingsvermogen verklaart waarom lopen met blote voeten op een koude tegelvloer veel koeler aanvoelt dan lopen op tapijt, hoewel beide op kamertemperatuur zijn. Tegels en stenen hebben een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt dan tapijt en stoffen, zodat ze de warmte veel sneller van een voet kunnen afvoeren, waardoor de tegel koel aanvoelt.
Metalen zijn een voorbeeld van een materiaal met een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt dat warmte snel kan afvoeren. De interne structuur van een metaalmolecuul bevat vrije elektronen die zich vrij door het grootste deel van het materiaal kunnen bewegen. Deze vrije elektronen botsen snel met andere deeltjes waardoor de interne structuur van een metaal sneller gaat trillen en sneller opwarmt. Deze snelle trillingen bevorderen de energie- en warmtestroom door het metaal.
Metalen als koper, aluminium en zilver worden vaak gebruikt om thermische apparaten en gereedschappen te maken. Koperen leidingen en draden zijn zeer populair voor gebruik in huis om energie en warmte snel van de ene ruimte naar de andere over te brengen. Aluminium heeft zeer vergelijkbare thermische eigenschappen als koper en wordt vaak gebruikt als een kosteneffectieve vervanging om dezelfde functies te vervullen. Zilver is een van de meest gebruikte metalen voor thermische toepassingen. Meer dan 35% van al het zilver dat in de VS wordt geproduceerd is bestemd voor elektronica of elektrisch gebruik. De vraag naar zilver blijft toenemen omdat het een cruciale component wordt bij de productie van zonnepanelen. Ook andere sterk warmtegeleidende materialen, zoals diamant, kennen vele praktische toepassingen. Diamantpoeder wordt vaak gebruikt in elektronica om warmte weg te leiden van gevoelige gebieden en ze zo te beschermen tegen oververhitting.
Figuur 2: Standaard zonnepanelen die vaak met zilver worden gefabriceerd
Warmteoverdracht in niet-metalen
Niet-metalen materialen vertrouwen op fononen om warmte langs een gradiënt van een koud gebied naar een warm gebied over te brengen. Kunststoffen, schuim en hout zijn allemaal voorbeelden van materialen met een slecht warmtegeleidingsvermogen. Deze materialen staan bekend als isolatoren en kunnen de warmtestroom beperken. Isolatoren hebben tal van uiterst nuttige toepassingen die energie kunnen beschermen tegen verlies aan de omgeving. Schuim is een uiterst nuttig isolatiemateriaal voor woningen en gebouwen. Meer dan 50% van alle huishoudelijke energie wordt gebruikt om een woning te verwarmen of te koelen. Door een materiaal met een hoge thermische geleiding te gebruiken om een huis te isoleren, kan de hoeveelheid energie die nodig is om een gebouw te verwarmen of te koelen, aanzienlijk worden verminderd. De energieprijzen stijgen wereldwijd voortdurend, waardoor het ideaal is om zoveel mogelijk stroom en warmte te besparen om de energierekening te verlagen.
Conclusie
Thermische geleiding is een uiterst belangrijke materiaaleigenschap die duizenden productiesystemen in staat stelt goed en efficiënt te functioneren. Binnen elk ecosysteem wordt voortdurend warmte uitgewisseld in de vorm van verloren energie. Het benutten van thermische energie voor industriële en praktische processen heeft geleid tot uitstekende energiebesparende technologieën die dagelijks worden toegepast. Geleiding, straling en convectie zijn de verschillende manieren waarop warmte zich door een systeem kan verplaatsen. Structuur, dichtheid en materiaalsamenstelling zijn factoren die van invloed kunnen zijn op de warmtegeleiding van een monster. Materialen met een hoge of lage warmtegeleidingscoëfficiënt worden gebruikt voor allerlei alledaagse toepassingen. Hoewel zeer onderschat, zou het leven niet hetzelfde zijn zonder warmteoverdracht en thermische uitwisseling.
Auteur: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest