Lämmön johtuminen
Lämmön johtuminen (tai lämmön johtuminen) on lämmön siirtymistä yhdestä esineestä toiseen, jonka lämpötila on erilainen, kun esineet koskettavat toisiaan. Voimme esimerkiksi lämmittää käsiämme koskettamalla kuumavesipulloja. Kun kylmät kädet koskettavat kuumavesipulloa, lämpö virtaa kuumemmasta esineestä (kuumavesipullosta) kylmempään (käteen). Ihmiset valmistavat esineitä, joilla on erilainen lämmönjohtavuus, esimerkiksi keittoastioita esineiden lämmittämiseksi tai eristettyjä astioita kuumien esineiden pitämiseksi kuumina tai kylmien esineiden pitämiseksi kylminä.
Muita tapoja siirtää lämpöä ovat lämpösäteily ja/tai konvektio. Yleensä useampi kuin yksi näistä prosesseista tapahtuu samanaikaisesti.
Koskettamalla kuumavesipulloa saamme lämpöä johtumalla.
Mikroskooppinen selitys
Atomiteorian mukaan kiinteät aineet, nesteet ja kaasut koostuvat pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi. Materiaalin lämpötila mittaa sitä, kuinka nopeasti atomit liikkuvat, ja lämpö mittaa atomien värähtelystä johtuvan energian kokonaismäärän.
Johtuminen voi tapahtua, kun materiaalin yhtä osaa lämmitetään. Tämän osan atomit värähtelevät nopeammin ja osuvat todennäköisemmin naapureihinsa. Törmäykset saavat myös nämä atomit liikkumaan nopeammin, jolloin lämpöenergia siirtyy niihin. Tällä tavoin energia kulkee kiinteän aineen läpi (kuten energia kulkee kaatuvien dominopelien mukana).
Atomikuva auttaa myös selittämään, miksi johtuminen on tärkeämpää kiinteissä aineissa: kiinteissä aineissa atomit ovat lähellä toisiaan eivätkä pysty liikkumaan. Nesteissä ja kaasuissa hiukkaset voivat liikkua toistensa ohi, joten törmäykset ovat harvinaisempia.
Lämmön johtumisen laki
Lämmön johtumisen laki, joka tunnetaan myös Fourierin lakina, tarkoittaa, että materiaalin läpi tapahtuvan lämmönsiirron nopeus ajassa on verrannollinen lämpötilan negatiiviseen gradienttiin ja siihen gradienttiin nähden suorassa kulmassa olevaan pinta-alaan, jonka läpi lämpö virtaa:
∂ Q ∂ t = - k ∮ S ∇ T ⋅ d S {\displaystyle {\frac {\partial Q}{\partial t}}=-k\oint _{S}{\nabla T\cdot \,dS}}} 
missä:
Q on siirtyvän lämmön määrä, ja
t on kulunut aika, ja
k on materiaalin lämmönjohtavuus' ja
S on pinta-ala, jonka läpi lämpö virtaa, ja
T on lämpötila.
Lämmönjohtavuus vaihtelee yleensä lämpötilan mukaan, mutta joillakin tavallisilla materiaaleilla vaihtelu voi olla pientä huomattavilla lämpötila-alueilla.
Lineaarinen lämpövirta
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on lämmön johtuminen?
V: Lämmön johtuminen on lämmön siirtymistä kahden eri lämpötilassa olevan kappaleen välillä, kun ne joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa.
K: Voiko lämmön johtuminen tapahtua samassa lämpötilassa olevien kappaleiden välillä?
V: Ei, lämmön johtumista tapahtuu vain eri lämpötiloissa olevien kappaleiden välillä.
K: Mikä on esimerkki lämmön johtumisesta?
V: Esimerkki lämmön johtumisesta on käsien lämpeneminen koskettamalla kuumavesipulloa. Kun kylmemmät kädet joutuvat kosketuksiin kuumemman vesipullon kanssa, lämpö virtaa kuumemmasta esineestä kylmempään.
Kysymys: Millaisilla materiaaleilla on erilainen lämmönjohtavuus?
V: Keittoastioita voidaan valmistaa materiaaleista, joilla on erilainen lämmönjohtavuus, samoin kuin eristettyjä astioita kuumille tai kylmille esineille.
K: Onko lämmönsiirtoon olemassa muitakin tapoja kuin johtuminen?
V: Kyllä, lämpöä voidaan siirtää myös säteilyn ja konvektion avulla.
K: Tapahtuvatko kaikki lämmönsiirtoprosessit erikseen?
V: Ei, yleensä useampi kuin yksi näistä lämmönsiirtoprosesseista (johtuminen, säteily ja konvektio) tapahtuu samanaikaisesti.
K: Voiko lämmönsiirto tapahtua tyhjiössä?
V: Kyllä, lämmönsiirto säteilyn kautta voi tapahtua tyhjiössä. Näin auringon lämpö saavuttaa maapallon.
