Wärmeleitfähigkeit von Metallen

Diese beiden Kochtöpfe haben die gleiche Temperatur. Der eine hat einen Griff aus Plastik, der andere einen Griff aus Metall. Der Plastikgriff lässt sich gut halten. Aber – autsch! – du verbrennst dir die Hand am Metallgriff. Denn das Metall leitet die Wärme sehr gut.

Die Wärme des Topfes verteilt sich über den gesamten Griff. Metalle sind gute Wärmeleiter. Topf und Plastikgriff werden im gleichen Maße erwärmt. Aber die Wärme verteilt sich nicht so leicht im Plastik. Denn Plastik ist das Gegenteil eines Wärmeleiters: ein thermischer Isolator.

Die meisten Stoffe sind thermische Isolatoren, wie zum Beispiel: Glas, Stein, Holz und Stoffe. Aber alle Metalle sind gute Wärmeleiter. Warum ist das so? Um das zu beantworten, müssen wir wissen, was Wärme ist – und zwar aus der Sicht der Atome. Alle Stoffe bestehen aus Atomen.

Atome in Feststoffen bleiben immer an ihrem Platz. Aber sie sind nicht völlig bewegungslos. Sie bewegen sich ständig hin und her. Sie schwingen. Je wärmer der Stoff ist, desto stärker schwingen die Atome.

Und genau das ist Wärme: Atome, die sich bewegen! Wie breitet sich Wärme also aus? Hier ist die vereinfachte Darstellung eines Nichtmetalls. Die Atome sind durch chemische Bindungen miteinander verbunden. Die Bindungen bestehen aus Elektronen zwischen den Atomen.

Wenn du eine Seite dieses Stoffes erwärmst, fangen die erwärmten Atome an, stärker zu schwingen. Diese Schwingungen übertragen sich durch die chemischen Bindungen auf die benachbarten Atome. Und so fangen jetzt auch diese Atome an, stärker zu schwingen. Dann gehen die Schwingungen auf die nächsten Atome über und auf die übernächsten. Jedes Atom in diesem Stoff kann nur seine nächsten Nachbarn in Bewegung setzen.

Und mit jedem Schritt werden die Schwingungen etwas schwächer. Dieses Nichtmetall leitet Wärme schlecht. Und wie ist das bei den Metallen? Auch Metallatome haben eine feste Ordnung. Und auch hier gibt es Elektronen zwischen den Atomen.

Die Elektronen in Metallen können sich allerdings frei bewegen. Diese freien Elektronen sind nicht an bestimmte Atome gebunden. Sie können sich überall im gesamten Stoff bewegen. Das verbessert die Wärmeleitfähigkeit Stoffes enorm. Schau mal, was passiert, wenn du eine Seite des Stoffes erwärmst: Die Atome fangen an, stärker zu schwingen.

Ein schwingendes Atom kann ein freies Elektron anschieben. Dadurch bewegt sich das Elektron schneller. Das schnelle Elektron trifft auf ein anderes Atom und versetzt dieses Atom in stärkere Schwingungen. Das Elektron macht so weiter. Es trifft auf andere Atome, bis es dann langsamer wird.

Auch die Elektronen treffen aufeinander. Es gibt also mehr und mehr Elektronen, die sich schnell durch den Stoff bewegen. Dabei erwärmen sie immer mehr Atome. Diese freien Elektronen machen alle Metalle zu guten Wärmeleitern. Wärme ist Bewegung der Atome.

Schwingungen werden durch den Stoff geleitet. Dabei verbreitet sich Wärme. Das Besondere an Metallen ist, dass sie freie Elektronen haben. Diese helfen, die Wärme zu verbreiten – nicht nur zu nahen Atomen, sondern auch zu Atomen, die weiter weg sind. Das erhöht die Wärmeleitfähigkeit in Metallen stark.

Darum verbrennst du dir die Hand am Metallgriff. Es sei denn, du benutzt einen Topflappen. Der hat nämlich keine freien Elektronen.