Lämmönjohtavuus
Myös: Lämmönjohtuminen, Terminen johtavuus, λ (lambda)
Lämmönjohtavuus kuvaa, kuinka hyvin materiaali kuljettaa lämpöenergiaa lävitseen, ja se ilmoitetaan watteina metriä ja kelviniä kohti (W/(m·K)).
Lämmönjohtavuus (kaavamerkki λ, yksikkö W/(m·K)) on materiaaliominaisuus, joka ilmaisee, kuinka nopeasti kiinteä aine, neste tai kaasu kuljettaa lämpöenergiaa lämpimämmältä kylmemmälle vyöhykkeelle. Mitä korkeampi λ-arvo, sitä tehokkaammin materiaali johtaa lämpöä. Jalometallit kuuluvat kaikkein parhaisiin lämmönjohteisiin – ominaisuus, joka on teollisuudessa yhtä kysytty kuin merkityksellinen sulatusarvolaskurissa seoksille.
Fysikaalinen tausta
Lämmönsiirto metalleissa tapahtuu pääosin vapaiden elektronien kautta, ei pelkästään hilavärähtelyjen (fononien) välityksellä. Siksi hyvät sähkönjohteet ovat yleensä myös hyviä lämmönjohteita – tämän yhteyden kuvaa Wiedemann-Franzin laki:
λ / σ = L · T
Tässä σ on sähkönjohtavuus, T absoluuttinen lämpötila (kelvineinä) ja L Lorenzin luku (≈ 2,44 × 10⁻⁸ W·Ω/K²). Laki pätee puhtaille metalleille huoneenlämmössä varsin hyvin.
Jalometallit vertailussa
Hopea johtaa puhtaimpien metallien järjestyslistaa 429 W/(m·K):lla ja on siten paras metallinen lämmönjohde ylipäätään. Kupari seuraa niukasti perässä 401 W/(m·K):lla – siksi kupari hallitsee edullisempana vaihtoehtona jäähdytyselementeissä ja lämmönvaihtimissa. Kulta saavuttaa 318 W/(m·K) ja sitä käytetään siellä, missä korroosionkestävyydellä on etusija, esimerkiksi lento- ja avaruustekniikassa tai mikroelektroniikassa. Platina ja palladium ovat noin 72 W/(m·K):lla selvästi matalammalla, mutta pisteyttävät korkean lämpötilan kestollaan.
| Metalli | λ, W/(m·K) | Pääkäyttö (terminen) |
|---|---|---|
| Hopea | 429 | Kontaktit, tahna, juotostekniikka |
| Kupari | 401 | Jäähdytyselementit, lämmönvaihtimet |
| Kulta | 318 | Mikrosirut, avaruustekniikka |
| Platina | 72 | Termoelementit, korkealämpö |
| Palladium | 72 | Katalysaattorit, elektrodit |
Käytännön merkitys
Elektroniikassa lämmönjohtavuus määrää, kuinka tehokkaasti prosessorit ja tehopuolijohteet jäähdytetään. Hopeapitoiset lämmönjohtotahnat ja sinttauskerrokset ovat tekniikan huippua tehokkaissa siruissa. Koru- ja seosalueella jokainen seoskumppani muuttaa λ-arvoa: sterlinghopea (925) johtaa jo tuntuvasti huonommin kuin puhdas hopea, koska hilavirheet häiritsevät elektronien liikettä.
Lämmönjohtavuus vaikuttaa myös hopean niin sanottuun jääsulatustestiin: puhdas hopea johtaa lämpöä niin hyvin, että jääpala hopeaharkolla sulaa selvästi nopeammin kuin useimmilla muilla metalleilla – yksinkertainen uskottavuustesti kotikäyttöön.
Lyhyesti muistiin
Hopea on paras metallinen lämmönjohde tunnetuista alkuaineista; kupari ja kulta seuraavat hieman jäljessä. Tämä ominaisuus tekee jalometalleista korvaamattomia materiaaleja tehokkaassa elektroniikassa, avaruustekniikassa ja lämpötekniikassa – paljon niiden sijoitusjalometallifunktion yli, kuten jalometallin.