Współczynnik przewodzenia ciepła λ. Od czego zależy przewodnictwo cieplne materiałów?

Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) jest właściwością fizyczną każdego materiału, określa wartość przewodnictwa cieplnego. Najprościej mówiąc jest to przepływ ciepła przez różne materiały. Przewodność cieplna materiałów budowlanych to w ostatnich latach popularny temat ze względu na coraz bardziej wyśrubowane normy w zakresie ochrony środowiska. Obostrzenia te mają prowadzić do zmniejszenia zużycia energii poprzez stosowanie materiałów o jak najniższych współczynnikach przewodzenia ciepła.

        Co znajdziesz w artykule:

• Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) – definicja
• Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) – wzór
• Jednostka współczynnika przewodzenia ciepła λ (lambda)
• Od czego zależy przewodność cieplna?
• Wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ (lambda) dla różnych materiałów
• Znaczenie współczynnika przewodzenia ciepła w budownictwie
• Różnica między współczynnikiem przewodzenia i przenikania ciepła

Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) – definicja

Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) to ilość energii cieplnej przepływającej na wskroś pewnej masy próbki, w wyniku zewnętrznej różnicy temperatur. To jedna z najważniejszych cech materiałów izolacyjnych. Im mniejsza wartość współczynnika λ (lambda), tym materiał słabiej przewodzi ciepło, a zatem lepiej izoluje przed jego stratami. Oznacza to, że w tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większej przewodności cieplnej.

Zgodnie z drugim prawem termodynamiki ciepło płynie zawsze w kierunku obszaru o niższej temperaturze.

Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) – wzór

Dla ciała o kształcie prostopadłościanu przewodzącego ciepło w warunkach stanu stabilnego ilość przekazanego ciepła jest zależna od substancji, proporcjonalna do przekroju ciała, różnicy temperatur oraz czasu przepływu ciepła: Q = λ·( S ΔTt/d)

czyli: λ=( Q/t)·(d/S ΔT)

 gdzie:

λ (lambda) – współczynnik przewodzenia ciepła

ΔQ – ilość ciepła przepływającego przez ciało

t – czas przepływu

L – długość ciała

S – pole przekroju poprzecznego ciała

ΔT – różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła

d – grubość przegrody

Jednostka współczynnika przewodzenia ciepła λ (lambda)

Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła w układzie SI jest [W/(m·K)]. Wyraża ona wielkość przepływu ciepła przez jednostkową powierzchnię z materiału o danej grubości, jeśli różnica temperatur między dwiema jego stronami wynosi 1 Kelwin.

Od czego zależy przewodność cieplna?

Współczynnik przewodzenia ciepła λ (lambda) charakteryzuje intensywność wymiany ciepła przez dany materiał. Substancjami najlepiej przewodzącymi ciepło są metale, najsłabiej gazy. Zazwyczaj materiały, które dobrze przewodzą prąd tj. miedź, aluminium, złoto czy srebro są również dobrymi przewodnikami cieplnymi, natomiast izolatory elektryczne (drewno, plastik, guma) słabo przewodzą ciepło. Przewodność cieplna materiałów izolacyjnych rośnie wraz ze wzrostem temperatury, a metali maleje. Stopy różnych metali mają zwykle mniejszą wartość przewodności cieplnej niż ich składniki stopowe. Przewodność cieplna substancji niejednorodnych jest zależna m.in. od ich budowy, porowatości, ale przede wszystkim gęstości. Jeżeli producent deklaruje niskią wartość współczynnika lambda przy niskich gęstościach powinno to budzić wiele wątpliwości u inwestora.Czytaj też: Na co zwrócić uwagę przy wyborze materiału izolacyjnego?

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła dla różnych materiałów

Wartości współczynnika przewodzenia ciepła wg PN-EN ISO 6946:1999 - "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania."

Znaczenie współczynnika przewodzenia ciepła w budownictwie

Współczynniki przewodzenia ciepła materiałów izolacyjnych powinny przyjmować jak najmniejsze wartości. Im mniejsza wartość λ (lambda), tym mniejszą grubość musi mieć dana warstwa izolacyjna, by zapewnić określoną wartość współczynnika przenikania ciepła przez przegrodę. Obecnie producenci materiałów termoizolacyjnych (styropianu, płyt grafitowych czy wełny mineralnej) dążą do minimalizacji grubości produktu przez zmniejszanie współczynnika λ (lambda), np. dla styropianów wynosi on 0,032-0,045, dla porównania dla cegły 0,15-1,31.Patrz też: Wełna mineralna w budownictwie>>

Jeżeli chodzi o materiały konstrukcyjne, współczynnik przewodzenia ciepła ma mniejsze znaczenie, mimo to w dzisiejszych czasach dąży się do produkcji materiałów konstrukcyjnych o niskiej wartości λ (np. pustaki ceramiczne, pustaki keramzytobetonowe, bloczki z betonu komórkowego). Materiały takie umożliwiają wykonanie ściany jednowarstwowej (bez ocieplenia) lub z możliwie małą grubością warstwy izolacyjnej.

Jak już pisaliśmy gazy mają najniższą wartość współczynnika przewodzenia ciepła. W takim razie czy gruba warstwa izolacyjna z powietrza będzie lepszą izolacją, niż tak samo gruba warstwa materiału izolacyjnego (np. styropianu)? Otóż nie. W przypadku cieczy i gazów oprócz przewodzenia, istotną rolę odgrywa również przekazywanie ciepła na drodze konwekcji. Cieplejsze powietrze unosi się ku górze, a zimniejsze opada na dół. Tak więc w warstwie pustki powietrznej odbywa się ciągły ruch powietrza. Podobne zjawisko zachodzi w materiałach porowatych, dlatego mają one wyższe wartości współczynników przewodzenia ciepła, niż materiały ciągłe. Zazwyczaj w szczelinach takich materiałów zamknięte są małe porcje gazu (powietrza, dwutlenku węgla). Gdy przestrzenie te będą zbyt duże, zacznie zachodzić w nich konwekcja, która skutecznie podniesie wartość współczynnika λ (lambda).a).  

Różnica między współczynnikiem przewodzenia i przenikania ciepła

Oprócz współczynnika przewodzenia ciepła λ (lambda) istnieje również współczynnik przenikania ciepła U. Brzmią podobnie, ale oznaczają zupełnie coś innego. Współczynnik przewodzenia ciepła jest cechą danego materiału, a współczynnik przenikania ciepła U określa konkretną przegrodę. Mówiąc najprościej – współczynnik przewodzenia ciepła ma wpływ, na wartość współczynnika przenikania ciepła U.

Marzena Sarniewicz