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.

האנרגיה התרמית של חומר מסוים גדלה עם הטמפרטורה. באופן מדויק יותר, לאטום בחומר בעל טמפרטורה גבוהה יותר תהיה אנרגיה קינטית גבוהה יותר מאשר לאטום בחומר בעל טמפרטורה נמוכה יותר.

שני המנגנונים העיקריים הנוספים להעברת אנרגיית החום הם קרינה והסעה.

הגדרה

הולכת חום הוא תהליך שבו אנרגיה תרמית עוברת דרך מגע ישיר בין חומרים שונים או בתווך של החומר עצמו עקב הפרשי טמפרטורה (הגדרה זו תקפה לכל מצב הצבירה).

חימום חפץ בקצה אחד ייצור מפל טמפרטורות מהקצה החם אל קצהו הקר של החפץ כאשר 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.

לדוגמה, סיר המתחמם על להבה מוליך את אנרגיית החום מתחתית הסיר אל הסיר כולו, שמתחמם עם הזמן. הטמפרטורה 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 רעים, האלקטרונים קשורים לאטומים שלהם ואינם יכולים לנוע בחומר כולו, וכך אנרגיית החום מתפשטת באטיות.

הנוסחה לחישוב מוליכות החום היא:

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

או בעברית: מוליכות חום שווה לקצב זרימת החום בשטח מסוים מכפלה וקטורית בהפרש הטמפרטורות.

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

השוואה בין סוגי חומרים שונים

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.

מוליכות החומר נקבעת, בין היתר, על ידי כמות האוויר הנמצאת בתוך החומר. ככל שהאוויר בתוכו רב יותר, כך יהיה מוליך רע יותר (כלומר, מבודד טוב יותר). חומר יהיה מוליך טוב ככל שכמות האוויר בתוכו פחותה. האוויר עצמו הוא מוליך גרוע ולכן החומרים הנקבוביים והשעירים גם הם מוליכים גרועים, בגלל האוויר הרב הכלוא בהם ומונע מן החום להתפשט בחומר. מתכת מפוררת תוליך פחות טוב עקב האוויר שנמצא לצד המתכת. האל מתכות מוליכות חום גרועות או מבודדות. שעם, זכוכית, אזבסט, עץ, צמר, פוליאותירן מוקצף, נוצות, צמר סלעים, וקש הם מוליכי חום גרועים ולכן משמשים כחומרי בידוד. נוזלים וגזים הם בדרך כלל 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.

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

שימוש

גוף הרדיאטור, המגהץ, קולט שמש והסיר מיוצרים ממתכות המוליכות חום ביעילות משום שנועדו להוליך חום. מנגד, חומרים בעלי מוליכות חום נמוכה משמשים כמבודדים, למשל ידיות האחיזה של סירים מיוצרות מחומרים מבודדים כדי שידי המשתמש לא ייכוו מהחום.

קיימים תקנים בעולם לבידוד קירות חיצוניים במבנים. בשוודיה התקן דורש שערך ה־U 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 אוויר הנלכדת בין שני לוחות זכוכית מסייעת להקטנת כמות החום הנפלטת דרך החלונות. שימוש נוסף בבנייה הוא הכנסת חומר מבודד (כגון פוליאוריתן מוקצף) בין שתי דפנות בקיר פנימי של בניין, במטרה למנוע אובדן חום.

לקריאה נוספת

• אנציקלופדיה מדעית - הפיזיקה היום - ד"ר יכין אונא. הוצאת 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.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מוליכות חום בוויקישיתוף

• בלדד השוחי, איך זה שהרצפה תמיד קרה יותר משאר החדר?, באתר כלכליסט, 18 במרץ 2010