Warmtegeleiding, warmteoverdracht

• Soorten warmteoverdracht (geleiding / conductie; convectie / stroming; straling)

• Warmtegeleiding van enkele materialen (conductie)

• Warmtegeleiding, warmteoverdracht, warmtestroom, Wet van Fourier

• Warmteweerstand of thermische weerstand van enkele materialen (R-waarde)

Soorten warmteoverdacht

Warmteoverdracht vindt plaats door (met dank aan MG Meuwissen Gerritsen Bouwproducten):

(A) Geleiding of conductie (warmtetransport door een temperatuurverschil in een object of warmteoverdracht tussen twee vaste media (tegen elkaar); de term wordt ook gebruikt bij geleiding van elektriciteit):

de warmtestroom is bij geleiding afhankelijk van: . dikte van het object (d) . warmtegeleiding coëfficiënt (λ) . temperatuurverschil (ΔT) . de doorsnede of de oppervlakte (A) voorbeeld van geleiding (conductie):

(B) Convectie of stroming (warmteoverdracht door stroming van vloeistof of gas, of warmtetransport door contact tussen een stromend medium (bijvoorbeeld water of lucht) en de wand van het object waarin het medium stroomt:

de warmtestroom is bij convectie afhankelijk van: . gaseigenschappen (r, Cp; dichtheid, viscositeit) . spouwruimte: afstand (d) en oppervlakte (A) . warmteoverdacht coëfficiënt  . temperatuurverschil (ΔT) . snelheid van het medium voorbeeld van stroming (convectie):

 
(C) Straling of (soms) radiatie (warmtetransport door elektromagnetische golven of deeltjes van een warm object naar een kouder object, voornamelijk infraroodstraling):

de warmtestroom is bij straling afhankelijk van: . gaseigenschappen . temperatuurverschil (ΔT) . temperatuur (T) . emissiecoëfficiënten (e) . oppervlakte (A) (straling heeft eigenlijk geen medium nodig) voorbeeld van straling (radiatie):

Warmtegeleiding van enkele materialen

Warmtegeleiding is de mate waarin een materiaal de (toegevoerde) warmte doorgeeft. 
Hoe lager de λ-waarde, hoe slechter het materiaal de warmte geleidt en dus hoe beter het isoleert.
De warmtegeleidingscoëfficiënt is een constante waarde voor een bepaald materiaal, ongeacht de dikte van dat materiaal. 
Overigens, de warmteweerstand van een bepaalde dikte van een materiaal wordt aangeduid in m2K/W. 

De warmtegeleidingscoëfficiënt lambda wordt soms genoteerd als J/mKs i.p.v. W/mK (1 W is immers 1 J/s).

Enigszins aangevulde tabel (bron faculteit Bouwkunde van de TU-Delft), waarbij λ (lambda) de maat van warmtegeleiding is (de warmtegeleidingscoëfficiënt), 
ρ (rho) de soortelijke massa (dichtheid) en C de soortelijke warmtecapaciteit:

*) I.p.v. warmtegeleiding wordt bij "lucht" de warmteweerstand vermeld: een horizontale spouw wordt een warmteweerstand van 0.182 aangehouden, een verticale spouw krijgt een warmteweerstand van 0.169.

Wet van Fourier

Warmtegeleiding (conductie, warmtestroom) is te zien als warmtestroomdichtheid ofwel een warmtestroom per oppervlakte en wordt bepaald door de Wet van Fourier: 

q = Q/A = -k(deltaT/dx)  = (deltaTc/Rc)

Q = warmteoverdracht (W ofwel J/s); door de grote letter Q te berekenen heb je de kleine letter q als de oppervlakte bekend  is
A = oppervlak waarover warmtetransport plaatsvindt (in m2)
k = warmtegeleidingscoëfficiënt λ (W/mK)
deltaT = temperatuurverschil (in Kelvin)
deltaTc = temperatuurverschil tussen binnen- en buitenzijde van de constructie (in Kelvin)
dx = dikte van het materiaal (in meter)
Rc = warmteweerstand van de constructie (m2 K/W)

De eenheid van q wordt uitgedrukt in W/m2.

Bepaling van de eenheid kan via de eenheden uit de Wet van Fourier:

W         K        1

-----     ---       ---   = W/m2

mK       1         m 

(wat klopt met q = Q/A waarin Q in Watt en A in m2)

In misschien iets duidelijker taal. Als je een massieve muur voor ogen houdt en de warmte stroomt van binnen door de muur naar buiten, dan geldt:
de warmtestroom van de ene zijde van muur is afhankelijk van een voor dat materiaal specifieke constante (k ofwel warmtegeleidingscoëfficiënt ofwel λ), maar uiteraard ook van de oppervlakte waarover die warmtestroom gaat (die muur) en het temperatuurverschil tussen de ene zijde van de muur en de andere zijde (hoger temperatuurverschil, dan meer warmtestroming) en de dikte van de muur (hoe dikker het materiaal, hoe kleiner de warmtestroom van ene zijde naar nadere zijde, de muur houdt immers de warmtestroom tegen).
Bij metalen geldt dat goede elektrische geleiders ook goede warmtegeleiders zijn (bv.goud, koper en aluminium) en dat legeringen over het algemeen slechte warmtegeleiders zijn.

Warmteweerstand of thermische weerstand van enkele materialen (zie ook R-waarde)

Warmteweerstand R = materiaaldikte (m) / warmtecoëfficiënt van het materiaal (W/mK)

waarmee de eenheid wordt: m2K/W.

Bij de warmteweerstand is dus altijd sprake van een gegeven dikte van het materiaal: de warmteweerstand van een materiaal bestaat dus niet, wel de warmtegeleidingscoëfficiënt en wel de warmteweerstand van een materiaal bij een gegeven dikte.

Hoe hoger de R-waarde, hoe beter de isolatie.

Materiaal	R-waarde [m2 K / W] *)
10 centimeter minerale wol of polystyreen	circa 2,50 *)
10 centimeter hout	0,55 tot 0,77
10 centimeter baksteen 1700-1799 kg/m3	0,15 (droog) of 0,11 (vochtig)
1 cm kalkmortel	0,01
Bij luchtlagen gelden de volgende omstandigheden:
Verticale luchtlagen (bv. spouwmuren)
Breedte 1 cm tot 2 cm	0,150 onverlucht, 0,075 zwak verlucht
Breedte 2 cm of meer	0,170 onverlucht, 0,085 zwak verlucht
Horizontale luchtlagen, warmtestroom van onder naar boven (bv. daken):
Breedte 1 cm tot 2 cm	Breedte 1 cm tot 2 cm
Breedte 1 cm tot 2 cm	0,140 onverlucht, 0,070 zwak verlucht
Horizontale luchtlagen, warmtestroom van boven naar onder (bv. vloeren):
Breedte 1 cm tot 2 cm	Breedte 1 cm tot 2 cm
Breedte 1 cm tot 2 cm	0,200 onverlucht, 0,100 zwak verlucht
Breedte 5 cm of meer	0,210 onverlucht, 0,105 zwak verlucht
*) Bouwbesluit 2012 eist als thermische isolatiewaarde Rc voor gevels en daken minimaal 3,5  m2K/W