Die höhere Wärmeleitfähigkeit von Metall im Vergleich zu Kunststoff beruht auf den grundlegenden Unterschieden in ihrem inneren Aufbau. Metall besteht aus regelmäßig angeordneten Kristalliten, während Kunststoff aus unregelmäßig verteilten Polymerketten besteht. Diese Unterschiede verursachen verschiedenen Mechanismen der Wärmeleitung, die welche Wärmeübertragungseffizienz beeinflussen.
Ein entscheidender Faktor ist die Bindungsstärke zwischen den einzelnen Molekülen bzw․ Atomen. Kunststoffe bestehen aus Polymerketten die durch relativ schwache Bindungen zusammengehalten werden. Dadurch wird die Bewegung der Moleküle beeinträchtigt und die Wärmeleitfähigkeit verringert. In Metallen hingegen sind die Atome in einem regelmäßigen Gittermuster angeordnet und werden durch starke metallische Bindungen zusammengehalten. Dadurch können die Atome leichter Schwingungen an ihre Nachbarn weitergeben und dadurch Wärme effizienter leiten.
Ein weiterer Unterschied liegt in der Zusammensetzung der Materialien. Kunststoffe bestehen aus verschiedenen Atomen während Metalle in der Regel hauptsächlich aus einem dominierenden Atomtyp bestehen. Fremdatome können zwar vorhanden sein, sind jedoch in der Minderheit. Diese einheitliche atomare Zusammensetzung bei Metallen erleichtert den Elektronen die Wärmeleitung. Elektronen sind einer der Hauptträger für Wärme in Feststoffen, da sie sich schneller bewegen und leichter Energie übertragen können als Atome.
In Metallen überwiegt sogar die Wärmeleitung durch die Elektronen gegenüber der Wärmeleitung durch die Schwingung der Atome. Die Leitfähigkeit von Metallen kann jedoch ebenfalls vom Reinheitsgrad abhängen. Reine Metalle haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Legierungen oder Metalle mit Verunreinigungen. Zum Beispiel beeinträchtigen Kohlenstoff-Karbide in Stahl die Leitfähigkeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Metall eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoff aufgrund seines regelmäßigen Gitteraufbaus und der einheitlichen atomaren Zusammensetzung besitzt. Diese Eigenschaften ermöglichen eine effizientere Übertragung von Wärmeenergie durch Schwingungen der Atome und vor allem durch die Bewegung der Elektronen. Kunststoffe hingegen bestehen aus unregelmäßig angeordneten Polymerketten die eine effiziente Wärmeleitung erschweren.
Warum leitet Metall Wärme besser als Kunststoff?
Was sind die Gründe dafür, dass Metall eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoff hat?