Eine Materialeigenschaft, die angibt, wie schnell Wärme durch das Material geleitet wird; meist ausgedrückt als Wärmeflussdichte pro Temperaturgradient (k in Fouriers Gesetz, q = -k ∇T).

Prinzip

Im Kontinuumsbereich ist der Wärmefluss proportional zum lokalen Temperaturgradienten; die Proportionalitätskonstante ist die thermische Leitfähigkeit. In anisotropen Medien wird sie durch einen zweiten Rang Tensor beschrieben. Temperaturabhängigkeit und mikroskopische Transportmechanismen bestimmen k.

Demonstration

Stationäre eindimensionale Wärmeleitung entlang einer einheitlichen Stange mit Querschnitt A und Länge L zwischen den Temperaturen T1 und T2: q = -k A (T2 - T1)/L. Ein Metall mit hohem k wie Kupfer zeigt unter demselben Gradient einen deutlich größeren q als ein Polymer mit niedrigem k.

Fehlanwendung

Thermische Leitfähigkeit mit Wärmeleitungsdiffusivität oder Wärmekapazität zu verwechseln; Makro‑k‑Werte auf Mikro/Nanoskalen anzuwenden ohne Berücksichtigung ballistischer (Phonon) Transportprozesse; Isotropie bei anisotropen Kristallen anzunehmen.

Konsequenz

Korrekter Einsatz von k erlaubt die Vorhersage von Wärmeflüssen und Temperaturfeldern bei Leitungsproblemen, die Auswahl von Materialien für das Wärmemanagement und die Berechnung thermischer Widerstände in Schichtsystemen.

Umkehrung

Niedrige thermische Leitfähigkeit (hoher thermischer Widerstand, also Wärmedämmung) ist das umgekehrte praktische Regime: Materialien werden so ausgelegt, dass sie Wärmefluss hemmen.

Abgrenzung

Gilt im Kontinuums(diffusions)regime und für Materialien, bei denen lokale thermodynamische Größen definiert sind. Schließt Regime aus, die von ballistischem Phonon/Elektronentransport, starken nichtlokalen Effekten oder von Phasenübergängen/chemischen Reaktionen dominiert werden.

Semantische Spannung

Wird oft mit der thermischen Diffusivität (α = k/(ρ c_p)) verwechselt, die Leitfähigkeit und Speicher kombiniert, und mit der thermischen Kontaktleitfähigkeit (Eigenschaft einer Grenzfläche statt des Volumens).

Synthese

Die thermische Leitfähigkeit ist das kontinuierliche Maß für die intrinsische Fähigkeit eines Materials, thermische Energie pro Temperaturgradient zu übertragen; sie ist die Proportionalitätskonstante im Fourierschen Gesetz und muss in Bezug auf Skala, Anisotropie und Temperaturabhängigkeit vom Speicher‑ und Interfaceverhalten unterschieden werden.