Isıl iletkenlik, bir maddenin sıcaklık farkı nedeniyle oluşan ısı enerjisini nasıl iletebildiğini nicel olarak ifade eden fiziksel bir özelliktir. Sıcaklık farkı olan iki bölge arasında ısının ne kadar hızlı geçtiğini gösterir.
Isıl iletkenlik katsayısı malzemelerin karakteristik bir değeridir ve malzeme sınıflarına göre yüksek mertebede değişkenlikler gözlemlenmektedir. İstisnalarla birlikte metaller ısıyı çok hızlı iletirken, polimer ve seramik esaslı malzemelerin ısıl iletkenlikleri düşüktür. Farklı malzemelerin çok farklı ısıl iletkenliğe sahip olmalarının başlıca sebebi, ısıl iletkenlik katsayısının atomik ve moleküler yapı, yoğunluk, atomlar arası bağ kuvveti, kristal kafes yapısı, yönlenme, safsızlık gibi etmenlere bağlı olmasıdır.
Metallerde Isıl İletkenlik
Metallerde ısıl iletkenlik, malzemenin kafes yapısı bünyesindeki serbest elektronların hareketi ve atomik titreşimler ile gerçekleşir, metallerde elektronların ısıl iletime katkısı fonon katkısına göre çok daha yüksektir. Metalik malzemelere ısı enerjisi aktarıldığında, metal atomları ısı enerjisini alırken son yörüngedeki serbest elektronları uyarılır. Uyarılan elektronlar kafes boyunca hareket ederken diğer elektronlar ile rastgele çarpışarak ısı enerjisini yayarlar. Gümüş, altın ve bakır yüksek serbest elektron yoğunlukları sayesinde yüksek ısıl iletkenlik değerine sahiptir.
Elmasın Isıl İletkenliği
Bilinen malzemeler arasında en yüksek ısıl iletkenlik değerine sahip malzeme elmastır. Elmas, Strukturbericht sınıflandırmasında A4 grubunda yer alan, 227 uzay grubu numaralı elmas kübik kristal yapısına sahiptir. Elmas birim hücresindeki her karbon atomu, 4 komşu karbon atomuyla tetrahedral düzende kovalent bağ yapar. Elmasın serbest elektronu bulunmamaktadır. Metallerdeki serbest elektronların ısı iletimine yüksek katkısından farklı olarak, elmas ısındığında atomların titreşimiyle ısı enerjisi kafes boyunca fononlar ile yayınır. Düzenli ve kuvvetli kovalent bağa sahip olmanın yanı sıra, karbon atomları arasındaki mesafe kısa olduğu için elmas kafesi boyunca ısıl iletkenlik değeri 2000 W.m-1.K-1 ’e kadar çıkabilir.
Isıl İletkenlik Katsayısının Ölçümü
Malzemelerin fiziksel özelliklerine bağlı olarak ısıl iletkenlik katsayısı, spesifik ısı, ısıl difüzivite ve malzemenin yoğunluğunun çarpımı ile elde edilir. Spesifik ısı, maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1 °C yükseltmek için aktarılması gereken enerji olarak ifade edilir. Spesifik ısı cv ve cp olmak üzere iki şekilde ifade edilir. Sabit hacimdeki spesifik ısı cv, sabit basınçtaki spesifik ısı cp şeklinde gösterilir. Sabit basınçta spesifik ısı, sabit hacimdekine göre daha yüksektir çünkü sabit basınç altında maddenin sıcaklığını yükseltirken madde genleşecek, aktarılan enerjinin bir kısmı hacim değişimine harcanacaktır. Yoğunluk ρ ile spesifik ısı cp değerlerinin çarpımı ısı kapasitesi olarak adlandırılır. Spesifik ısı ve ısı kapasitesi, maddenin ısı depolama kabiliyetinin ölçüsüdür. Bir malzemenin ısıl iletkenliğinin ölçülmesi için genellikle Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC) ile spesifik ısı değeri ölçülür, arşimed yöntemi ile yoğunluğu ölçülür, lazer flaş analizi ile ısıl difüzivitesi ölçülür ve bu üç değer çarpılarak ısıl iletkenlik katsayısı elde edilir.
