מוליכות חום

מוליכות חום (באנגלית: Thermal conductivity) היא תכונה של חומר להעביר חום, כאשר מעבר החום הוא מעבר האנרגיה התרמית בחומר, מאנרגיה גבוהה לאנרגיה נמוכה.

בטבע האנרגיה התרמית של חומר מסוים גדלה עם הטמפרטורה, באופן מדויק יותר לאטום בטמפרטורה גבוהה יותר תהיה אנרגיה תרמית יותר גבוהה מאשר אטום בטמפרטורה נמוכה יותר.

שני מנגנונים עיקריים נוספים להעברת אנרגיית החום הם קרינה והסעה.

הגדרה

הולכת חום הוא תהליך שבו האנרגיה עוברת דרך מגע ישיר בין חומרים שונים או בתווך של החומר עצמו עקב הפרשי טמפרטורה כאשר זה נכון לכל מצב הצבירה .

לדוגמה - סיר המתחמם על להבה מוליך את אנרגיית החום מתחתית הסיר אל הסיר כולו, שהופך עם הזמן לחם והטמפ' שלו תלויה במקדם הולכת החום שמשתנה מחומר לחומר.

תהליך הולכת החום

המבנה האטומי של המתכות הופך אותן מוליכות חום טובות.

לכל אטום ישנה ליבה יציבה של אלקטרונים המקיפים את גרעין האטום. האלקטרונים החיצוניים ביותר חופשיים יותר מן האלקטרונים הפנימיים של האטום, ולכן הם יכולים לנוע במהירות רבה יותר בין כלל האטומים של אותה מתכת.

כאשר מחממים את המתכת - האלקטרונים החופשיים נעים מהר יותר ומתנגשים באטומים אחרים בתדירות ובעוצמה רבה, וכך מועברת אנרגיית החום לכל חלקי המתכת.

בדרך זו מתבצעת גם מוליכות החשמל וגם מוליכות החום, ולכן המתכות נחשבות מוליכות טובות - הן של חשמל והן של חום.

לעומת זאת, במוצקים אחרים שהם מוליכי חום גרועים, האלקטרונים קשורים לאטומים שלהם ואינם יכולים לנוע בחומר כולו, וכך אנרגיית החום מתפשטת באטיות.

הנוסחה לחישוב מוליכות החום היא:

$\kappa ={\frac {\Delta Q}{\Delta t}}\times {\frac {1}{A}}\times {\frac {x}{\Delta T}}$

מוליכות חום = קצב זרימת החום / (מכפלת המרחק בהפרש הטמפרטורות)

יחידת המידה התקנית של מוליכות החום היא ואט למטר קלווין ${\frac {W}{(m\cdot K)}}$

החום האגור בעצם הוא - סך כל ה אנרגיה הקינטית של האטומים והמולקולות שלו.

הטמפרטורה של עצם היא ממוצע האנרגיה הקינטית שלו.

מודדים חום על ידי יחידת מידה ג'אול או קלוריה.

מוליכים ומבודדים

רוב המתכות הן מוליכות חום טובות. מוליכותן של המתכות גבוהה פי 1000 ממוליכותם של מוצקים אחרים כמו בד שעם ועץ, וגדולה פי 10,000 ממוליכותם של הגזים.

אם נחמם חפץ בקצה אחד, יווצר מפל טמפרטורות מהקצה החם אל קצהו הקר של החפץ.

-מוליכות החום של החומר משפיעה על השיעור המדויק של מפל הטמפרטורות.

-ככל שתגדל מוליכות החום כך יקטן מפל הטמפרטורות הנדרש להזרמת כמות החום מנקודת הטמפרטורה הגבוהה אל נקודת הטמפרטורה הנמוכה.

-מוליכות החומר נקבעת על ידי כמות האוויר הנמצאת בתוך החומר. ככל שהאוויר בתוכו רב יותר, כך יהיה מוליך גרוע (מבודד). חומר יהיה מוליך טוב ככל שכמות האוויר בתוכו פחותה.

נוכל לכתוב זאת כך:

<------------------------

מבודד טוב

------------------------>

מוליך גרוע

- אויר הוא מוליך גרוע - לכן החומרים הנקבובבים והשעירים גם הם מוליכים גרועים, בגלל האוויר הרב הכלוא בהם ומונע מן החום להתפשט בחומר . אם נפורר מתכת - תרד מוליכותה משום שהכנסנו אויר לתוך המתכת.

האל מתכות הם מוליכי חום גרועים או מבודדים. שעם, זכוכית, אזבסט, עץ, צמר, פוליאותירן מוקצף, נוצות, צמר סלעים וקש הם מוליכי חום גרועים ולכן משמשים כחומרי בידוד.

- נוזלים וגזים הם מוליכי חום גרועים (יוצא דופן הוא גז המימן).

תכונות הולכת החום של מבודדים נמדדת על פי סולם ערכי U הנעים מ-0 ל-5. ככל שערך ה-U נמוך יותר, כך המבודד טוב יותר (ראה שימושים).

טבלת מוליכות חום ביחס ליהלום:

חומר	מוליכות חום
יהלום	1000
כסף	429
נחושת	390
זהב	317
אלומיניום	220
ברזל	80
קרח	2
זכוכית	1.1
עץ	0.04 - 0.4
אוויר	0.025

שימושים

משתמשים במתכות כדי ליצור כלים שתפקידם להוליך חום. את גופי הרדיאטור, המגהץ והסיר מייצרים ממתכות משום שתפקיד הכלים הללו להוליך חום. את ידיות האחיזה מייצרים מחומרים מבודדים כדי שידינו האוחזות לא יכוו מהחום.

מנגד, חומרים בעלי מוליכות חום נמוכה משמשים כמבודדים. קיימים תקנים בעולם לבידוד קירות חיצוניים במבנים. בשוודיה התקן דורש שערך ה-U (ראה להלן) המרבי לקירות חיצוניים יעמוד על 0.3, ואילו בארצות הברית התקן עומד על 0.6.

אוויר הוא מבודד חום מעולה ולכן יש לו שימושים שונים בתור מבודד, בין היתר, בבנייה ובביגוד. שכבת אויר הנלכדת בין שני לוחות זכוכית מסייעת להקטנת כמות החום הנפלטת דרך החלונות. שימוש נוסף בבנייה הוא הכנסת חומר מבודד (כגון פוליאתירן מוקצף) בין שתי דפנות בקיר פנימי של בניין, במטרה למנוע אובדן חום.

לקריאה נוספת

• אנציקלופדיה מדעית - הפיזיקה היום -ד"ר יכין אונא. הצאת כתר ירושלים
• תצפית למדע - אנרגיה. הוצאת מט"ח
• יסודות הפיזיקה - פרקים בתורת החום חלק א . ד"ר מאיר שפירא
• אנציקלופדיה מדעית - הכימיה היום - פרופ' רפאל ויעל איקו הוצאת כתר
• אנציקלופדיה כללית כרטא