Wärme-. Temperaturleitfähigkeit und spez. Wärmekapazität

nisc86 · Gast

Hallo zusammen,

habe im Rahmen meiner Bachelorarbeit (Kunststofftechnik) die thermophysikalischen Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spez. Wärmekapazität von Kunststoffen über einem Temperaturprofil gemessen. Es zeigt sich, dass mit zunehmender Temperatur die Temperaturleitfähigkeit abnimmt und die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität zunimmt.
Kann mir jemand erklären woran das liegt, auf molekularer ebene betrachtet?

Vielen Dank schonmal,

mfg

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Keine Ahnung.

Aber es scheint der Normalfall (auch bei Metallen) zu sein. Ausnahmen z.B. Platin oder Quecksilber. Vermutung, daß es, ähnlich wie bei der elektrischen Leitfähigkeit, unterschiedliche Mechanismen gibt. Damit beschäftigt sich die Festkörperphysik (siehe Gerthsen oder Kittel z.B.), möglicherweise auch die Chemie: http://www.chemikerboard.de/index_start.php .

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

soweit ich das noch korrekt erinnere:

die spez. waermekapatitaet monoatomarer festkoerper ist in nullter naeherung eine temperaturunabhaengige konstante : c = 3 R
(regel von Dulong-Petit, herleitung auf microskopuischer ebene und diskussion siehe hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Dulong-Petit-Gesetz )

fuer hoehere molekule ( i.e. meist anderer symmetrie) treten i.a. weitere freiheitsgrade hinzu, sodass man dort groessere c findet

eine abhaengigkeit selbst dieses so erhoehten c in komplizierteren koerpern von der temperatur in festkoerpern waere nun so zu deuten, dass dort bei hoeherer temperatur weitere freiheitsgrade hinzutreten (z.b. in deinem falle indem an zusaetzlichen stellen zwischen nebeneinanderliegenden polymerketten stoerungen auftreten und somit "schwingungsmoeglichkeiten" freiwerden, jedoch ohne dass die nahordnung dabei komplett zusammenbricht , sondern lediglich punktuell und dynamisch-temporaer)

damit waere die mit T erhoehrte waermekapazitaet eines kristalls (zunaechst) gegebener symmetrie eine folge von durch den festkoerper "vagabundierenden" stoerungen (deren anzahl mit der temperatur zunimmt), welche jedoch noch nicht ein schmelzen zur folge haben

wenn die waermekapazitaet jedoch erhoeht ist, dann kann ( / muss ! ) jedoch auch mehr energie (=eine groessere waermemenge) zwischen einem molekuel und seinem nachbarn fliessen um eine temperaturdifferenz auszugleichen: die mit dem ausgleich einer temperaturdifferenz einhergehende erforderliche waermemenge steigt

wenn du nun gedanklich zunaechst (faelschlich!) unterstellst du haettest eine konstante temperaturleitfaehigkeit, dann wird daraus unmittelbar einleuchtend , das mit erhoehter waermekapazitaet auch eine erhoehte waermeleitfaehigkeit einhergehen muss.

nun ist die temperaturleitfaehigkeit aber nicht konstant, sondern tendentiell leicht fallend, jedoch eben nicht so stark fallend, dass der o.g. effekt nicht das geschehen trotzdem weiterhin majorisieren wuerde: das ganze gilt also auch dann noch , wenn die temperaturleitfahigkeit abnehmend ist, solange diese abnahme nicht zu stark ist.

diese leichte abnahme kannst du dir nun wiederum (stark vereinfacht) als eine leicht gestoerte impulsweiterleitung durch den kristall vorstellen, indem an den stoerstellen einfach keine impulsweiterleitung stattfindet: was sich nicht beruehrt, kann sich auch nicht schubsen.
und die anzahl dieser stoerstellen nimmt, wie oben bereits dargelegt , temperaturabhaengig ja zu, weshalb dann mit steigender temperatur die temperaturleitfaehigkeit leicht abnimmt

gruss

ingo

nisc86 · Gast

Hallo Ingo,

vielen Dank für deine Antwort! Das hat mir schon mal sehr geholfen!

Grüße

nisc86 · Gast

Hi,
Eine Verständnissache noch: Man kann also sagen, dass die Temperaturleitfähigkeit mit steigender T abnimmt, WEIL die spez. Wärmekapazität zunimmt. (Bzw. wegen den auftretenden Störungen zwischen den Polymerketten, die einer erhöhte Cp zur Folge haben). Das System kann sozusagen eine größere Wärmemenge aufnehmen, bevor eine Temperaturerhöhung auftritt. Der "Effekt der Störstellen" hat jedoch quasi auf die TFL einen kleineren Effekt als auf die Spezif. Wärmekapazität, drum steigt die Wärmeleitfähigkeit: (weil WLF = TFL*Cp*Dichte)
Richtig?

Mfg,

Nils

magician4 · Anmeldungsdatum: 03.06.2010 Beiträge: 914

ja, genauso erinnere ich es

gruss

ingo