Kupfer - Wärmeleitfähigkeit einfach erklärt

Kupfer ist ein guter Wärmeleiter

Kupfer leitet elektrischen Strom sehr gut und wird daher in vielen Anwendungen für elektrische Leitungen benutzt. Weit weniger bekannt ist, dass Kupfer auch Wärme gut leitet. Wenn Sie jemals in die Nähe einer mit einer Flamme erhitzten Kupferleitung an das Metall gegriffen haben, wissen Sie das. Und nicht umsonst sind Töpfe und Pfannen aus Kupfer beim Kochen beliebt.

• Dies lässt sich auch experimentell zeigen: Hält man ein Ende eines Kupferstabes in eine Flamme und taucht das andere Ende in kaltes Wasser, so erwärmt sich dieses: Die Temperatur steigt. Es strömt also Wärmeenergie durch das Kupfer in das Wasser.
• Ein gutes Modell ist, dass am heißen Ende des Stabes die Kupferatome heftig schwingen. Da das Metall gitterförmig aufgebaut ist, überträgt sich ein Teil der Energie auf die Nachbaratome, die ihrerseits wieder Energie weitergeben. Die Wärme strömt durch den Kupferkörper, ohne dass die Atome ihre Plätze verlassen. In der Physik nennt man dieses Phänomen Wärmeleitung.
• Metalle sind also durch ihre Gitteranordnung gute Wärmeleiter. Glas, viele Kunststoffe, Wasser und Gase zählen zu den schlechten Wärmeleitern. Vor allem Styropor ist ein sehr schlechter Wärmeleiter, denn es enthält unzählige mit Luft gefüllte Hohlräume, die die Ausbreitung der Wärme stark behindern.

Übrigens: Fast alle Metalle, aber auch Fliesen oder Kacheln, fühlen sich kalt an, da diese die Wärme aus Händen bzw. Füßen schnell abführen.

Wärmeleitfähigkeit - was ist das?

Um angeben zu können, wie gut ein Körper die Wärme leitet, ist es wichtig zu wissen, wie viel Wärmeenergie bei einer bestimmten Temperaturdifferenz in einer Zeitspanne diesen durchfließt.

• Als Wärme- oder Energiestrom P bezeichnet man den Quotienten aus dieser Energie E (auch die Wärme wird mit E bezeichnet) und der Zeit t. Es gilt P = E/t. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer ist dieser Energiestrom.
• Natürlich ist dieser Wärmestrom auch von den äußeren Gegebenheiten des Körpers abhängig. So wird mehr Wärmeenergie fließen, wenn die Querschnittsfläche A des Stabes oder der Säule groß ist. Der Wärmestrom wird allerdings kleiner werden, wenn der Stab sehr lang ist.
• Jedes Material lässt sich jedoch unabhängig von diesen äußeren Gegebenheiten mit einer Größe charakterisieren, die ein Maß für seine Wärmeleitfähigkeit darstellt. Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie viel Energie pro Sekunde durch einen Körper strömt, der eine (genormte) Querschnittsfläche A = 1 m² und eine Länge l = 1 m hat. Dabei muss die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden genau 1° betragen (ob Kelvin oder Grad ist unerheblich). 
• Die Wärmeleitfähigkeit wird meist mit dem griechischen Buchstaben λ (sprich: Lambda) bezeichnet und hat (ihrer obigen Definition entsprechend) die Einheit Watt pro Meter und Kelvin (W/(m * K)). Erst diese auf genormte Werte bezogene Größe macht es möglich, die Wärmleitung einzelner Materialien miteinander zu vergleichen.
• Silber hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit (und ist auch ein sehr guter Stromleiter). Es gilt λ_Ag = 427 W/m*K. Ihm folgt jedoch schon sehr dicht Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ_Cu = 384 W/m*K. um Vergleich liegen die Wärmeleitfähigkeiten von Glas, Wasser, Luft und auch Styropor unter dem Wert 1.