Kupfer ist für seine vielfältigen Eigenschaften bekannt, darunter Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, antimikrobielle Eigenschaften und Recycelbarkeit. Eine seiner herausragenden Eigenschaften ist die Wärmeleitfähigkeit. Doch was verbirgt sich genau hinter diesem Begriff, und warum ist er für bestimmte Branchen von großer Bedeutung? Lassen Sie uns gemeinsam einen genaueren Blick darauf werfen.
Haben Sie sich schon einmal einen Wasserkocher genauer angesehen und sich über sein Design Gedanken gemacht? Während der Großteil dieses Geräts aus rostfreiem Stahl gefertigt ist, bestehen der Griff und der Deckel oft aus Kunststoff. Warum ist das so? Der Grund liegt in den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten dieser Materialien. Edelstahl, wie die meisten Metalle, leitet Wärme gut. Das ist entscheidend für einen Wasserkocher, der Wasser erhitzen soll. Jedoch möchten Sie sich nicht die Hände verbrennen, wenn Sie heißes Wasser einschenken. Deshalb ist der Griff aus Kunststoff gefertigt, da dieses Material Wärme nur schlecht leitet. Auf diese Weise erfüllt der Wasserkocher seinen Zweck, ohne dabei Ihre Sicherheit zu gefährden.
Antiker Kupferkessel mit Holzgriff
Was ist die Wärmeleitfähigkeit von Metallen?
Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Wärme von einem heißen auf einen kalten Gegenstand zu übertragen. Jedes Material weist eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit auf, die von drei Faktoren abhängt: Porosität, Wassergehalt und Dichte. Bei nichtmetallischen Festkörpern basiert die Wärmeleitfähigkeit weitgehend auf der mechanischen Kopplung benachbarter Atome und der damit verbundenen Übertragung von Schwingungsenergie.
In Metallen hingegen sind hauptsächlich die Leitungselektronen für die Wärmeleitung verantwortlich. Diese Leitungselektronen sind auch für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich. Sie gewährleisten, dass Metalle eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Die freien Elektronen stoßen dabei auf die Gitterteilchen. Da diese am Ort der Erwärmung intensiver schwingen, übertragen sie bei Kollision einen Teil ihrer überschüssigen Energie auf die anderen Elektronen. Da sich diese Elektronen im Metallgitter frei bewegen können, geben sie bei Zusammenstoß mit Gitterteilchen außerhalb des erhitzten Bereichs die aufgenommene zusätzliche Energie an diese ab. Im Gegensatz zu Metallen haben feste Stoffe, die keine freien Elektronen besitzen, wie etwa Kunststoffe, keine elektrische Leitfähigkeit und sind dementsprechend weniger effiziente Wärmeleiter.
Kupfer und seine Wärmeleitfähigkeit
Kupfer zeichnet sich nicht nur durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit aus, sondern auch durch eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Weniger bekannt ist, dass Kupfer auch ein hervorragender Wärmeleiter ist.
Es gibt nur wenige Materialien, die Wärme besser leiten als Kupfer. Ein Beispiel hierfür ist Diamant, das sogar noch höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diamant erreicht diese herausragende Wärmeleitfähigkeit aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur, bei der die Atome in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Im Gegensatz zu Metallen erfolgt die Wärmeübertragung in Diamanten durch Gitterschwingungen und nicht durch Leitungselektronen.
Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer ein beliebtes Material für Heizungsrohre
Silber ist das einzige Metall, das eine noch bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer besitzt, wenn auch nur leicht höher. Aufgrund der relativ hohen Anschaffungskosten von sowohl Diamant als auch Silber wird Kupfer jedoch am häufigsten für die Herstellung von leitfähigen Geräten verwendet. Dies ist auf seine herausragende Wärmeleitfähigkeit, aber auch auf seine gute elektrische Leitfähigkeit, den hohen Schmelzpunkt und die mäßige Korrosionsanfälligkeit zurückzuführen.
Wärmeleitfähigkeit in der verarbeitenden Industrie
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer macht es zu einem begehrten Material in der Fertigungsindustrie. Dort, wo eine rasche Wärmeübertragung erforderlich ist, ist Kupfer die erste Wahl. Häufig wird übersehen, dass Kupfer nicht nur Wärme effizient aufnimmt, sondern sie auch hervorragend ableitet. Dies prädestiniert Kupfer als ideales Material für Kühlanwendungen. Kupfer findet beispielsweise in den Wärmetauschern von Klimaanlagen, Fahrzeugkühlern und als Prozessorkühler in Computern Anwendung. Selbst in der Kunststoffindustrie können Kupferlegierungen wie AMPCOLOY® dazu beitragen, die Prozesse effizienter zu gestalten.
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