Die Wärmeleitfähigkeit (Symbol λ, Einheit W/(m·K)) gibt an, wie gut ein Material Wärme durch Wärmeleitung transportiert. Zur Orientierung: Kupfer leitet mit 401 W/(m·K) hervorragend, Stahl liegt bei etwa 50, Kunststoffe bei 0,2 und Dämmstoffe wie Mineralwolle bei 0,04 W/(m·K). Zwischen dem besten und dem schlechtesten technischen Wärmeleiter liegt damit ein Faktor von über 10.000. Elektroisolierstoffe, wie GOBA sie als Isoliermaterialien verarbeitet, liegen mit 0,1 bis 0,3 W/(m·K) im Bereich der Kunststoffe. Auf dieser Seite finden Sie die Wärmeleitfähigkeit gängiger Metalle, Baustoffe, Kunststoffe und Elektroisolierstoffe als Tabelle, dazu Einheit, Formel und die wichtigsten Einflussfaktoren.
Wie wird die Wärmeleitfähigkeit gemessen?
Einheit der Wärmeleitfähigkeit
Die Einheit ist Watt pro Meter und Kelvin (W/(m·K)). Sie gibt an, wie viel Wärmeenergie durch eine ein Meter dicke Materialschicht bei einem Kelvin Temperaturunterschied transportiert wird. Im Bauwesen ist derselbe Wert als Lambda-Wert oder Wärmeleitzahl geläufig, in englischsprachigen Datenblättern steht statt λ häufig das Symbol k.
Messmethoden für die Wärmeleitfähigkeit
- Laser-Flash-Methode: Ein Laserimpuls erhitzt die Oberfläche, die Erwärmung auf der Rückseite wird gemessen.
- Heißdrahtmethode: Ein in das Material eingebetteter Draht erwärmt sich durch elektrischen Strom.
- Plattenmethoden: Die durch eine Materialprobe geleitete Wärmemenge wird direkt gemessen.
Wärmeleitfähigkeit Tabelle: Materialien im Überblick
Die Tabelle zeigt typische Werte bei Raumtemperatur, sortiert vom besten zum schlechtesten Wärmeleiter. Werte können je nach Reinheit, Dichte und Feuchte abweichen:
| Material | Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) |
|---|---|
| Diamant | ca. 2.000 |
| Kupfer | 401 |
| Aluminium | 237 |
| Stahl (unlegiert) | ca. 50 |
| Edelstahl | ca. 15 |
| Beton | ca. 2,1 |
| Glas | ca. 0,8 |
| Wasser | 0,6 |
| Kunststoffe (unverstärkt) | 0,15 bis 0,35 |
| Holz (Fichte) | ca. 0,13 |
| Mineralwolle | 0,035 bis 0,045 |
| Styropor (EPS) | 0,03 bis 0,04 |
| Luft (ruhend) | 0,026 |
| Aerogel | 0,015 bis 0,02 |
Wie unterscheidet sich die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Metalle?
Vergleich der Wärmeleitfähigkeit gängiger Metalle
Die folgende Tabelle zeigt die Wärmeleitfähigkeit wichtiger Metalle bei Raumtemperatur:
| Metall | Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) |
|---|---|
| Silber | 429 |
| Kupfer | 401 |
| Gold | 317 |
| Aluminium | 237 |
| Zink | 116 |
| Messing | ca. 120 |
| Nickel | 91 |
| Eisen | 80 |
| Zinn | 67 |
| Stahl (unlegiert) | ca. 50 |
| Blei | 35 |
| Titan | 22 |
| Edelstahl (V2A) | ca. 15 |
Metalle mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit
Silber ist mit 429 W/(m·K) der beste metallische Wärmeleiter, aus Kostengründen wird in der Technik aber fast immer Kupfer (401 W/(m·K)) eingesetzt, etwa in Kühlkörpern, Wärmetauschern und Kupferfolien. Aluminium erreicht 237 W/(m·K) und punktet überall dort, wo Gewicht zählt, zum Beispiel in Leichtbau-Kühlsystemen.
Metalle mit geringer Wärmeleitfähigkeit und ihre Anwendungen
- Blei (35 W/(m·K)) wird unter anderem in Strahlenschutzverkleidungen eingesetzt.
- Eisen (80 W/(m·K)) leitet deutlich schlechter als Kupfer oder Aluminium.
- Edelstahl (ca. 15 W/(m·K)) ist der schlechteste gängige metallische Wärmeleiter, ideal für Kochgeschirr-Griffe und thermische Entkopplung im Maschinenbau.
Welche Faktoren beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit von Metallen?
Eigenschaften der Metalle und ihre Auswirkungen
Metalle bestehen aus einer Kristallstruktur mit frei beweglichen Elektronen. Diese freien Elektronen sind verantwortlich für die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen, da sie Wärme effizient transportieren. Deshalb geht gute elektrische Leitfähigkeit bei Metallen fast immer mit guter Wärmeleitung einher.
Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit
Mit steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit der meisten Metalle ab, da die erhöhte Gitterbewegung der Atome den Wärmetransport durch Elektronen behindert. Tabellenwerte gelten deshalb immer für eine bestimmte Temperatur, üblich sind 20 °C.
Einfluss von Legierungen auf die Wärmeleitfähigkeit
Legierungen reduzieren die Wärmeleitfähigkeit gegenüber reinen Metallen, da Fremdatome die Elektronenbeweglichkeit einschränken. Der Sprung von reinem Eisen (80 W/(m·K)) zu Edelstahl (ca. 15 W/(m·K)) zeigt die Größenordnung dieses Effekts.
Wärmeleitfähigkeit von Elektroisolierstoffen
Elektroisolierstoffe sollen Strom sperren, in vielen Anwendungen aber gleichzeitig Wärme abführen, etwa in Elektromotoren, Transformatoren und der Leistungselektronik. Genau dieser Zielkonflikt bestimmt die Materialwahl, denn die meisten organischen Isolierstoffe liegen bei 0,1 bis 0,3 W/(m·K). Typische Richtwerte aus den Datenblättern der von uns verarbeiteten Materialien:
| Isolierstoff | Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) |
|---|---|
| Polyimidfolie (z. B. Kapton) | ca. 0,12 |
| Aramidpapier (z. B. Nomex) | ca. 0,14 |
| Pressspan (trocken) | ca. 0,17 |
| Polyesterfolie (PET) | ca. 0,2 |
| Vulkanfiber | ca. 0,2 |
| PTFE | ca. 0,25 |
| Glimmer / Mikanit | ca. 0,3 bis 0,7 |
| Thermisch leitfähige Compounds und Folien | 1 bis 10 |
Für die Wärmeabfuhr zählt in der Praxis weniger der λ-Wert allein als der Wärmedurchlass der gesamten Isolierschicht, also λ geteilt durch die Materialdicke. Eine 0,05 mm dünne Polyesterfolie lässt trotz niedriger Wärmeleitfähigkeit mehr Wärme durch als eine 0,5 mm dicke Lage desselben Materials. Deshalb lohnt es sich, die Werkstoffdicke nicht größer zu wählen, als die elektrische Auslegung verlangt. Bei thermisch hoch belasteten Anwendungen beraten wir Sie zur Materialwahl zwischen Standardfolien, Hochtemperatur-Isolierungen und thermisch leitfähigen Speziallösungen, passend zur geforderten Isolierstoffklasse.
Warum ist die Wärmeleitfähigkeit im Bauwesen wichtig?
Bedeutung für den Wärmeschutz in Gebäuden
Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie Mineralwolle oder Styropor dienen als Wärmedämmung und reduzieren den Energieverbrauch von Gebäuden. Je niedriger der Lambda-Wert, desto dünner darf die Dämmschicht bei gleicher Dämmwirkung sein.
Anwendungen von Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden für Wärmeverteilung eingesetzt, beispielsweise in Fußbodenheizungen und Heizkörpern.
Einsatz von Metallen mit geringer Wärmeleitfähigkeit
Niedrigleitfähige Metalle dienen als Schutzschichten in Brandschutzkonstruktionen und als thermische Barrieren.
Wie wird die Wärmeleitfähigkeit in der Praxis berechnet?
Formel zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit
Der Wärmestrom durch ein Material folgt der Beziehung: q = λ × (ΔT / Δx), wobei q der Wärmestrom in Watt pro Quadratmeter, ΔT die Temperaturdifferenz in Kelvin und Δx die Materialdicke in Meter ist. Ein Rechenbeispiel: Durch eine 0,2 mm dicke Polyesterfolie (λ = 0,2 W/(m·K)) fließen bei 10 K Temperaturdifferenz 10.000 Watt pro Quadratmeter, durch eine gleich dicke Luftschicht nur 1.300.
Zusammenhang mit anderen thermischen Eigenschaften
- Wärmekapazität: das Speichervermögen für Wärmeenergie
- Dichte: höhere Dichte korreliert bei Feststoffen oft mit besserer Wärmeleitung
- Wärmediffusivität: die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärme im Material
Welche Anwendungen nutzen die Wärmeleitfähigkeit von Metallen?
Einsatz in der Elektronik und Elektrotechnik
In Computerprozessoren, Kühlkörpern und LEDs ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit entscheidend für die Wärmeabfuhr und den zuverlässigen Betrieb. Zwischen Kühlkörper und Bauteil sitzen dabei oft dünne Isolierfolien, die elektrisch trennen und thermisch koppeln müssen.
Anwendungen in der Wärmetechnik und Energieeffizienz
Wärmetauscher, Solaranlagen und Heizungssysteme nutzen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit für effizienten Wärmetransport.
Nutzung in der Industrie und Produktion
In der Automobilindustrie und im Maschinenbau werden Materialien mit gezielter Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, um thermische Belastungen zu minimieren, von der Batterie-Isolation bis zur Motorwicklung.
GOBA Fazit: Die Dicke entscheidet über den Wärmedurchlass
Bei Elektroisolierstoffen liegen die λ-Werte dicht beieinander: Polyimidfolie bei etwa 0,12, Aramidpapier bei 0,14, Polyesterfolie bei 0,2 W/(m·K). Der Unterschied im Bauteil entsteht über die Dicke. Eine 0,05 mm dünne Polyesterfolie lässt mehr Wärme durch als eine 0,5 mm dicke Lage desselben Materials. Rechnen Sie deshalb mit λ geteilt durch die Materialdicke und legen Sie die Dicke auf das Minimum fest, das die elektrische Auslegung verlangt. Jedes zusätzliche Zehntel staut Verlustwärme im Bauteil. Reicht der Wärmepfad damit nicht aus, führen thermisch leitfähige Folien mit 1 bis 10 W/(m·K) weiter, die wir als Isoliermaterial mit definierten Kennwerten liefern.
