Warum ist die Wärmeleitfähigkeit von reinem Edelstahl schlechter als die von Kupfer oder Aluminium?

Die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl (ca. 15 W/m·K) ist drastisch niedriger als die von Kupfer (ca. 400 W/m·K) oder Aluminium (ca. 235 W/m·K). Das liegt primär am inneren Aufbau des Materials auf atomarer Ebene.

Hier sind die Hauptgründe:

1. Reinstoff vs. Legierung (Das "Hindernisrennen")

In Metallen wird Wärme hauptsächlich durch freie Elektronen transportiert (ähnlich wie elektrischer Strom).

• Kupfer und Aluminium werden meist in sehr reiner Form verwendet. Die Atome sind in einem sehr regelmäßigen Kristallgitter angeordnet. Die Elektronen können fast ungehindert durch dieses Gitter fließen und die thermische Energie transportieren.
• Edelstahl ist eine Legierung. Er besteht zwar hauptsächlich aus Eisen, enthält aber erhebliche Mengen an Zusätzen, meist etwa 18 % Chrom und 8–10 % Nickel. Diese Fremdatome haben andere Größen und chemische Eigenschaften als die Eisenatome.

2. Streuung der Elektronen

Die Chrom- und Nickelatome im Edelstahl sitzen an verschiedenen Stellen im Kristallgitter des Eisens. Da sie eine andere Größe haben als die Eisenatome, erzeugen sie Gitterverzerrungen. Die freien Elektronen, die die Wärme transportieren sollen, stoßen ständig gegen diese „Fremdkörper“ und Unregelmäßigkeiten im Gitter. Man nennt diesen Vorgang Streuung. Jede Kollision behindert den Fluss der Elektronen und damit den Transport von Energie. Je mehr verschiedene Elemente in einer Legierung gemischt sind, desto "chaotischer" ist das Gitter für die Elektronen und desto schlechter ist die Wärmeleitfähigkeit.

3. Der Wiedemann-Franz-Gesetz-Zusammenhang

Es gibt einen direkten physikalischen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Leitfähigkeit von Metallen (beschrieben durch das Wiedemann-Franz-Gesetz). Da Edelstahl aufgrund der oben genannten Gitterstörungen ein schlechter elektrischer Leiter ist (hoher Widerstand), ist er zwangsläufig auch ein schlechter Wärmeleiter.

Zusammenfassung der Werte (zum Vergleich):

• Silber: ~430 W/m·K (Spitzenreiter)
• Kupfer: ~400 W/m·K
• Aluminium: ~235 W/m·K
• Reines Eisen: ~80 W/m·K
• Edelstahl (V2A/V4A): ~15 W/m·K

Praktische Folge: Deshalb haben hochwertige Kochtöpfe aus Edelstahl fast immer einen Boden aus Kupfer oder Aluminium (eingekapselt im Edelstahl), um die Wärme schnell und gleichmäßig zu verteilen. Ohne diesen Kern würde der Edelstahl punktuell sehr heiß werden ("Hotspots"), während der Rest des Topfbodens kühl bliebe.

Umgekehrt ist die schlechte Leitfähigkeit ein Vorteil, wenn man Material benötigt, das Wärme isolieren soll, wie etwa bei den Griffen von Töpfen oder in der Bauindustrie.