De wetenschap van warmteoverdracht: Wat is geleiding?
Warmte is een interessante vorm van energie. Niet alleen is het een bron van leven, maakt het ons comfortabel en helpt het ons bij het bereiden van ons voedsel, maar het begrijpen van de eigenschappen ervan is essentieel voor veel gebieden van wetenschappelijk onderzoek. Bijvoorbeeld, weten hoe warmte wordt overgedragen en de mate waarin verschillende materialen thermische energie kunnen uitwisselen bepaalt alles van het bouwen van kachels en het begrijpen van seizoensveranderingen tot het sturen van schepen in de ruimte.
Warmte kan alleen worden overgedragen op drie manieren: geleiding, convectie en straling. Van deze drie is geleiding misschien wel de meest voorkomende, die regelmatig in de natuur voorkomt. Kort gezegd is het de overdracht van warmte door lichamelijk contact. Het gebeurt wanneer u uw hand op een ruit drukt, wanneer u een pan water op een actief element zet, en wanneer u een strijkijzer in het vuur plaatst.
Deze overdracht vindt plaats op moleculair niveau – van het ene lichaam naar het andere – wanneer warmte-energie door een oppervlak wordt geabsorbeerd en de moleculen van dat oppervlak sneller doet bewegen. Daarbij botsen ze op hun buren en dragen de energie aan hen over, een proces dat doorgaat zolang er nog warmte wordt toegevoegd.
Het proces van warmtegeleiding hangt af van vier basisfactoren: de temperatuurgradiënt, de doorsnede van de betrokken materialen, de padlengte, en de eigenschappen van die materialen.
Een temperatuurgradiënt is een natuurkundige grootheid die beschrijft in welke richting en met welke snelheid de temperatuur op een bepaalde plaats verandert. De temperatuur stroomt altijd van de warmste naar de koudste bron, omdat koude niets anders is dan de afwezigheid van warmte-energie. Deze overdracht tussen lichamen gaat door totdat het temperatuurverschil afneemt en er een toestand ontstaat die thermisch evenwicht wordt genoemd.
Doorsnede en padlengte zijn ook belangrijke factoren. Hoe groter de afmeting van het materiaal dat bij de overdracht betrokken is, hoe meer warmte er nodig is om het op te warmen. Ook is de kans op warmteverlies groter naarmate het oppervlak aan de buitenlucht is blootgesteld. Kortere voorwerpen met een kleinere doorsnede zijn dus de beste manier om het verlies van warmte-energie tot een minimum te beperken.
Ten slotte, maar zeker niet het minst belangrijk, zijn de fysische eigenschappen van de betrokken materialen. Als het op geleiden van warmte aankomt, zijn niet alle stoffen gelijk. Metalen en steen worden beschouwd als goede warmtegeleiders omdat ze warmte snel kunnen overbrengen, terwijl materialen als hout, papier, lucht en stof slechte warmtegeleiders zijn.
De geleidende eigenschappen worden beoordeeld op basis van een “coëfficiënt” die wordt gemeten ten opzichte van zilver. In dit opzicht heeft zilver een warmtegeleidingscoëfficiënt van 100, terwijl andere materialen lager worden gerangschikt. Zo is er koper (92), ijzer (11), water (0,12) en hout (0,03). Aan het andere eind van het spectrum bevindt zich een perfect vacuüm, dat geen warmte kan geleiden en daarom op nul staat.
Materialen die warmte slecht geleiden worden isolatoren genoemd. Lucht, dat een geleidingscoëfficiënt van .006 heeft, is een uitzonderlijke isolator, omdat het in staat is in een gesloten ruimte te worden opgesloten. Dit is de reden waarom kunstmatige isolatoren gebruik maken van luchtcompartimenten, zoals ramen met dubbele beglazing die worden gebruikt om de verwarmingsfactuur te verlagen. In feite fungeren zij als buffers tegen warmteverlies.
Veder, bont en natuurlijke vezels zijn allemaal voorbeelden van natuurlijke isolatoren. Het zijn materialen waarmee vogels, zoogdieren en mensen warm kunnen blijven. Zeeotters, bijvoorbeeld, leven in oceaanwateren die vaak erg koud zijn en hun luxueuze dikke pels houdt hen warm. Andere zeezoogdieren zoals zeeleeuwen, walvissen en pinguïns vertrouwen op dikke lagen vet (ook wel blubber genoemd) – een zeer slechte geleider – om warmteverlies via hun huid te voorkomen.
Dezelfde logica wordt toegepast bij het isoleren van huizen, gebouwen en zelfs ruimtevaartuigen. In deze gevallen wordt gebruik gemaakt van opgesloten luchtzakken tussen de muren, glasvezel (dat lucht insluit) of schuim met hoge dichtheid. Ruimtevaartuigen vormen een speciaal geval en gebruiken isolatie in de vorm van schuim, versterkt koolstofcomposietmateriaal en tegels van siliciumvezel. Al deze materialen zijn slechte warmtegeleiders en voorkomen daarom dat warmte in de ruimte verloren gaat en dat de extreme temperaturen die door de terugkeer in de dampkring worden veroorzaakt, de bemanningscabine binnendringen.
Zie deze videodemonstratie van de hittetegels op de Space Shuttle:
De wetten voor warmtegeleiding lijken sterk op de wet van Ohm, die de elektrische geleiding regelt. In dit geval is een goede geleider een materiaal dat zonder veel problemen elektrische stroom (d.w.z. elektronen) doorlaat. Een elektrische isolator daarentegen is een materiaal waarvan de inwendige elektrische ladingen niet vrij kunnen stromen, zodat het zeer moeilijk is er een elektrische stroom door te leiden onder invloed van een elektrisch veld.
In de meeste gevallen zijn materialen die warmte slecht geleiden ook slechte elektriciteitsgeleiders. Koper bijvoorbeeld is goed in het geleiden van zowel warmte als elektriciteit, vandaar dat koperdraad zo veel gebruikt wordt bij de fabricage van elektronica. Goud en zilver zijn nog beter, en waar de prijs geen rol speelt, worden deze materialen ook gebruikt bij de aanleg van elektrische circuits.
En wanneer men een lading wil “aarden” (d.w.z. neutraliseren), stuurt men deze via een fysieke verbinding naar de aarde, waar de lading verloren gaat. Dit is gebruikelijk bij elektrische circuits waar blootgesteld metaal een rol speelt, en zorgt ervoor dat mensen die per ongeluk in contact komen niet worden geëlektrocuteerd.
Insolerende materialen, zoals rubber op de zolen van schoenen, worden gedragen om ervoor te zorgen dat mensen die werken met gevoelige materialen of rond elektrische bronnen worden beschermd tegen elektrische ladingen. Andere isolerende materialen zoals glas, polymeren of porselein worden vaak gebruikt op hoogspanningsleidingen en hoogspanningszenders om de stroom naar de circuits te laten stromen (en niets anders!)
In het kort komt geleiding neer op de overdracht van warmte of de overdracht van een elektrische lading. Beide gebeuren als gevolg van het vermogen van een stof om moleculen toe te staan energie over te dragen.
We hebben veel artikelen over geleiding geschreven voor Universe Today. Kijk eens naar dit artikel over de eerste wet van de thermodynamica, of dit artikel over statische elektriciteit.
Als je meer info over geleiding wilt, kijk dan eens naar BBC’s artikel over warmteoverdracht, en hier is een link naar The Physics Hypertextbook.
We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast over magnetisme opgenomen – Aflevering 42: Magnetism Everywhere.