Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitung beschreibt, wie Wärme ohne Transport von Materie zwischen Körpern übertragen wird. Es wird erklärt, wie Temperaturschwankungen die Bewegung von Partikeln beeinflussen und welche Faktoren die Wärmeleitung bestimmen. Ist das spannend für dich? Weitere Einzelheiten findest du im vollständigen Text!
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Grundlagen zum Thema Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit
Wärmeleitung in der Physik
Hast du dich schon einmal gefragt, warum sich eine Aluminiumdose und eine Plastikschachtel unterschiedlich kalt anfühlen, wenn du sie aus dem Kühlschrank holst, obwohl sie eigentlich dieselbe Temperatur haben? Das hat etwas mit dem Phänomen der Wärmeleitung zu tun. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen.
Was ist Wärmeleitung?
Wir stellen uns das folgende Experiment vor: Ein Kupferdraht ist so an einem Stativ befestigt, dass eines seiner Enden genau über einer brennenden Kerze hängt. Das Drahtstück, das sich direkt über der Flamme befindet, wird auf etwa $T_1 = 800~^{\circ}\pu{C}$ erhitzt. Das andere Ende des Drahts ist zu Beginn noch auf Raumtemperatur. Messen wir die Temperatur $T_2$ an diesem Ende zu verschiedenen Zeitpunkten $t_0$, $t_1$ und so weiter, stellen wir fest, dass sie langsam ansteigt – obwohl sich dieses Ende nicht über der Kerzenflamme befindet. Die Wärme muss also durch den Draht übertragen worden sein!
Wärmeleitung – Definition
Dieses einfache Experiment zeigt schon, was wir unter Wärmeleitung verstehen. Für eine Definition müssen wir nur ein paar weitere Kriterien berücksichtigen, um die Wärmeleitung von anderen Formen des Wärmeübertrags abzugrenzen:
Wärmeleitung ist die Übertragung oder der Transport von thermischer Energie innerhalb eines Körpers oder zwischen Körpern, die in direktem Kontakt stehen, ohne dass dabei Materie transportiert wird. Die Richtung der Wärmeleitung zeigt dabei immer von Körpern bzw. Zonen höherer Temperatur zu Körpern bzw. Zonen niedrigerer Temperatur.
Zu Beginn unseres Experiments gab es innerhalb des Drahtes über der Kerze eine Zone höherer Temperatur. Die Wärmeleitung erfolgte von dieser Zone in Richtung des anderen Endes, also zu einer Zone niedrigerer Temperatur.
Wärmeleitung – Erklärung
Auf mikroskopischer Ebene können wir uns die Wärmeleitung erklären, wenn wir uns an das Teilchenmodell der Temperatur erinnern.
Diesem Modell zufolge führt eine Erhöhung der Temperatur dazu, dass sich die Teilchen eines Stoffes schneller bewegen bzw. schneller um ihre Ruhelage schwingen. Da die Teilchen in einem Festkörper, wie zum Beispiel in einem Kupferdraht, miteinander verbunden sind, wird die Bewegungsenergie eines Teilchens teilweise auf die Nachbarteilchen übertragen. Das kannst du dir so vorstellen, als wären die Teilchen durch elastische Federn miteinander verbunden. Wackelst du an einem Teilchen, wird diese Schwingung über die Federn an die umliegenden Teilchen übertragen.
Wärmeleitung – Formel
Wie gut Wärme übertragen wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die experimentell bestimmt werden können. Die Leitung beschreibt man über den sogenannten Wärmestrom $\dot{Q}$. Das ist die pro Zeit übertragene Wärmemenge $Q$.
Würden wir für den Kupferdraht unterschiedliche Temperaturdifferenzen $T_1 - T_2$ untersuchen, würden wir feststellen, dass die Stärke des Wärmestroms größer ist, wenn die Temperaturdifferenz größer ist.
Der Wärmestrom ist außerdem größer, wenn die Fläche $A$ größer wird, über die die Wärme übertragen wird. Im Gegensatz dazu wird der Wärmestrom kleiner, wenn der Abstand $d$ zwischen den beiden Zonen mit den Extremwerten der Temperatur größer wird.
Zu guter Letzt hängt der Wärmestrom auch davon ab, welches Material wir betrachten. In der Formel schlägt sich das in der stoffspezifischen Konstanten $\lambda$ nieder, die auch als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird.
Insgesamt erhalten wir für den Wärmestrom die folgende Formel:
$\dot{Q} = \lambda \cdot A \cdot \frac{ T_1 - T_2 }{ d }$
Anhand der Wärmeleitfähigkeit $\lambda$ können wir Stoffe unterscheiden und in gute und schlechte Wärmeleiter unterteilen.
Wärmeleitung – Beispiele für die Leitfähigkeit
In der folgenden Tabelle haben wir ein paar Beispiele für gute und schlechte Wärmeleiter aufgelistet:
| gute Wärmeleiter | schlechte Wärmeleiter |
|---|---|
| Silber | Holz |
| Kupfer | Kunststoffe |
| Aluminium | Wasser |
Aluminiumdose und Plastikschachtel
Und was hat das nun alles mit der Aluminiumdose und der Plastikschachtel aus dem Kühlschrank zu tun?
Wir können mit unserer Haut keine Temperatur fühlen, auch wenn wir das umgangssprachlich so ausdrücken. In Wahrheit spüren wir die Wärmeübertragung. Die Aluminiumdose hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Wenn wir sie in die Hand nehmen, spüren wir, dass es einen hohen Wärmestrom von unserer Hand zur Dose gibt – und das fühlt sich kalt an. Die Plastikschachtel ist aus Kunststoff mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit. Hier ist der Wärmestrom viel geringer und deswegen fühlt sich die Plastikschachtel nicht so kalt an.
Transkript Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit
Manche grillen mit einfachsten Mitteln, während andere RIESIGE Gerätschaften auffahren. Was man aber immer braucht, ist eine Grillzange! Naja, oder zumindest einen Spieß – wer will schon mit bloßen Händen in die Hitze langen? Die Probleme hier heißen "Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit". In diesem Video sehen wir uns an, was dahinter steckt. "Wärmeleitung" beschreibt, wie sich Wärme in einem festen Körper ausbreitet, oder zwischen zwei Körpern übertragen wird, wenn sich diese berühren. Konkret auf die Grillzange bezogen heißt das: Sie wird warm werden, wenn du sie ins Grillfeuer hältst. Aber sie wird natürlich nicht schlagartig genauso heiß sein wie die Flammen! Was da genau vor sich geht, können wir mit dem "Teilchenmodell" erklären. Zuerst nehmen DIE Teilchen die "thermische Energie", also die Wärmeenergie des Feuers, auf, die an der SPITZE der Zange sitzen. Das führt dazu, dass die Schwingung der Teilchen sich deutlich verstärkt, sie also schneller auf ihren Plätzen hin- und herwackeln. Dabei verlassen sie die Plätze NICHT, sonst würde die Zange ja schmelzen, aber sie stoßen ANEINANDER und geben so ihre Schwingung an die weiter HINTEN sitzenden Teilchen weiter. So werden nach und nach alle Teilchen der Grillzange in starke Schwingung versetzt. So wird die Wärme durch die Zange geleitet – ihre Temperatur steigt. Das DAUERT eine gewisse Zeit. Nimmst du die Zange aus dem Grill heraus, kühlt sie wieder ab, das heißt, die Schwingungen der Teilchen werden wieder schwächer. Einerseits, weil die thermische Energie an die kalte Luft in der Umgebung abgegeben wird, andererseits aber auch über die "Wärmeleitung" an deine HAND. Denn nicht nur die Grillzange, sondern auch DU bist "wärmeleitfähig". Steht ihr beide in Kontakt, stoßen die schwingenden Teilchen der Zange auch die Teilchen in deiner Hand an und erwärmen diese damit. Allein die LÄNGE so einer Zange sorgt dafür, dass sie am Griff nicht so heiß wird wie am anderen Ende – zumindest nicht so schnell. Nach demselben Prinzip funktioniert eine Teetasse: Der Griff hat einen guten Abstand vom heißen Tee und wird deshalb nicht so schnell heiß. Das macht das Halten angenehm – aber Aua! Warum ist denn der LÖFFEL so heiß? Das Löffelende ist doch genauso weit vom Tee entfernt wie der GRIFF der Tasse! Tja, sowohl durch die Tasse als auch im Löffel findet Wärmeleitung statt. Aber der Löffel hat eine viel höhere WärmeLEITFÄHIGKEIT. Das heißt, er kann deutlich SCHNELLER große Wärmemengen leiten. Denn der Löffel besteht aus METALL – und Metalle sind sehr gute Wärmeleiter. Keramik dagegen nicht so sehr; genauso wenig wie Glas, Plastik oder auch Holz. Deshalb verkleiden wir die Griffe von Töpfen und Kannen gerne mit diesen Materialien. Oder eben auch den Griff unserer geliebten Grillzange. Eine GERINGERE Wärmeleitfähigkeit hängt damit zusammen, dass sich die Schwingungen der Teilchen nur SCHLECHT ausbreiten können. Sehr deutlich wird das bei LUFT – einem sehr SCHLECHTEN Wärmeleiter – denn hier sind die Teilchen so weit auseinander, dass sie kaum zusammenstoßen und Wärme austauschen können. Schaumstoff und Daunenjacken funktionieren nach genau diesem Prinzip. In diesen lockeren Materialien ist Luft eingeschlossen, die nicht wegströmen kann. Deshalb sind sie schlechte Wärmeleiter – und im Umkehrschluss gute Materialien zur DÄMMUNG. Das bedeutet, sie verhindern, dass Wärme ABFLIEẞT, also nach außen abgeleitet wird. Das kennst du auch andersherum: Der Löffel im Tee ist superheiß, aber Metall bei ganz normaler Umgebungstemperatur fühlt sich immer superKALT an! Der Grund ist, dass Metall, das kälter als dein Körper ist, deine Wärme sehr schnell AUFNIMMT. Dieser WärmeABLFUSS von dir weg erzeugt das unangenehm kalte Gefühl. Dann doch lieber ne Grillzange mit HOLZGRIFF. Ein echtes Wärme-Wunder! Fassen wir zusammen: "Wärmeleitung" beschreibt das Phänomen, dass thermische Energie INNERHALB eines Körpers, oder über direkten Kontakt ZWISCHEN zwei Körpern, durch Stöße zwischen schwingenden Teilchen übertragen wird. Metalle haben eine HOHE Wärmeleitfähigkeit, leiten also schnell große Wärmemengen weiter. Keramik, Plastik, Holz und Luft sind hingegen SCHLECHTE Wärmeleiter. Diese Materialien werden zur "Dämmung" genutzt, denn sie verhindern, dass Wärme schnell ABFLIEẞT. Dieses Wissen solltest du nicht unterschätzen, sicherte es doch jahrtausendelang das Überleben unserer Art!
Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit Übung
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Beschreibe Wärmeleitung und Wärmeleitfähigkeit.
TippsTöpfe besitzen an ihren Griffen oft Plastik, damit man sich an ihnen nicht verbrennt.
LösungIm Bereich der Thermodynamik und Materialwissenschaften spielt die faszinierende Erscheinung der Wärmeleitung eine bedeutende Rolle, da sie die Übertragung von thermischer Energie innerhalb und zwischen Materialien beschreibt.
Wärmeleitung beschreibt das Phänomen, dass thermische Energie innerhalb eines Körpers oder über direkten Kontakt zwischen zwei Körpern durch Stöße zwischen schwingenden Teilchen übertragen wird. Metalle haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und leiten also schnell große Wärmemengen weiter. Keramik, Plastik, Holz und Luft sind hingegen schlechte Wärmeleiter. Diese Materialien werden zur Dämmung genutzt. Denn sie verhindern, dass Wärme schnell abfließt.
Die gezielte Nutzung der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien hat maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Isolierungsmaßnahmen und ist von entscheidender Bedeutung in der Gestaltung und Optimierung zahlreicher Alltags- und Industrieprozesse.
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Gib wieder, was mit einer Grillzange passiert, wenn du sie ins Feuer hältst.
TippsWärmeleitung beschreibt, wie sich Wärme in einem festen Körper ausbreitet oder zwischen zwei Körpern übertragen wird, wenn sich diese berühren.
Das passiert, sobald jemand die Zange ins Feuer hält.
Das passiert nach einiger Zeit, nachdem jemand die Zange ins Feuer gehalten hat.
Das ist mit der Zange passiert, nachdem sie ganz lange ins Feuer gehalten wurde.
LösungWärmeleitung beschreibt, wie sich Wärme in einem festen Körper ausbreitet oder zwischen zwei Körpern übertragen wird, wenn sich diese berühren. Konkret auf die Grillzange bezogen heißt das: Sie wird warm werden, wenn du sie ins Grillfeuer hältst. Aber sie wird natürlich nicht schlagartig genauso heiß sein wie die Flammen. Was im Einzelnen vor sich geht, können wir mit dem Teilchenmodell erklären:
1. Zuerst nehmen die Teilchen, die sich an der Spitze der Zange befinden, die Wärmeenergie des Feuers auf.
2. Das führt dazu, dass die Schwingungen der Teilchen deutlich stärker werden und sie sich schneller auf ihren Plätzen hin- und herbewegen.
3. Dabei verlassen sie ihre Plätze nicht. Aber sie stoßen aneinander und geben so ihre Schwingung an die weiter hinten sitzenden Teilchen weiter.
4. Dadurch werden nach und nach alle Teilchen der Grillzange in starke Schwingung versetzt.
5. So wird die Wärme durch die Zange geleitet – ihre Temperatur steigt.
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Entscheide, welche Gegenstände gute und welche schlechte Wärmeleiter sind.
TippsMetalle zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Das bedeutet, dass sie große Wärmemengen schnell weiterleiten können.
Im Gegensatz dazu sind Materialien wie Keramik, Plastik, Holz und Luft schlechte Wärmeleiter.
LösungWärmeleitung ist ein physikalisches Phänomen, das die Übertragung von thermischer Energie innerhalb eines Körpers oder zwischen zwei Körpern beschreibt, die in direktem Kontakt stehen. Diese Energieübertragung erfolgt durch die Stöße zwischen den schwingenden Teilchen des Materials.
Bei höheren Temperaturen werden die Teilchen intensiver in Schwingung versetzt, was zu einer erhöhten kinetischen Energie führt. Diese Bewegungsenergie wird dann von den schnelleren Teilchen auf die langsameren übertragen, wodurch die Wärmeenergie im Material weitergegeben wird.Metalle zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Das bedeutet, dass sie große Wärmemengen schnell weiterleiten können.
Im Gegensatz dazu sind Materialien wie Keramik, Plastik, Holz und Luft schlechte Wärmeleiter. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit werden sie häufig als Dämmmaterialien eingesetzt, um zu verhindern, dass Wärme schnell abfließt, und somit eine effiziente Isolierung zu gewährleisten.Gute Wärmeleiter sind:
- Draht
- Münzen
- Zange
Schlechte Wärmeleiter sind:
- Glas
- Holz
- Keramik
- Plastik
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Beschreibe, warum ein Hohlblockstein beim Hausbau Löcher besitzt.
TippsLuft ist ein schlechter Wärmeleiter.
Durch Löcher in den Steinen wird das Material verringert.
LösungAus physikalischer Sicht besitzt ein sogenannter Hohlblockstein, der beim Hausbau verwendet wird, Löcher, um die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu reduzieren und somit eine verbesserte Wärmedämmung zu erreichen.
Durch die Anordnung von Löchern oder Hohlräumen im Inneren des Steins wird die Menge an Material verringert, durch welches Wärme geleitet werden kann. Dies führt zu einer effizienteren Isolierung des Gebäudes, da die Lufteinschlüsse in den Löchern als schlechte Wärmeleiter wirken und die Wärmeübertragung durch den Stein verlangsamen.
Das Porenprinzip – wie es bei Hohlblocksteinen angewendet wird – bietet somit eine sinnvolle Möglichkeit, die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern und dabei auch das Gesamtgewicht des Mauerwerks zu reduzieren.
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Beschreibe, was Wärmeleitung ist.
TippsWärmeleitung ist ein physikalisches Phänomen, welches die Übertragung von thermischer Energie von Körpern beschreibt, die in direktem Kontakt stehen.
Metalle zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Das bedeutet, dass sie große Wärmemengen schnell weiterleiten können.
Im Gegensatz dazu sind Materialien wie Keramik, Plastik, Holz und Luft schlechte Wärmeleiter.
Es sind zwei Aussagen richtig.
LösungWärmeleitung ist ein physikalisches Phänomen, das die Übertragung von thermischer Energie innerhalb eines Körpers oder zwischen zwei Körpern beschreibt, die in direktem Kontakt stehen. Diese Energieübertragung erfolgt durch die Stöße zwischen den schwingenden Teilchen des Materials.
Bei höheren Temperaturen werden die Teilchen intensiver in Schwingung versetzt, was zu einer erhöhten kinetischen Energie führt. Diese Bewegungsenergie wird dann von den schnelleren Teilchen auf die langsameren übertragen, wodurch die Wärmeenergie im Material weitergegeben wird.Folgende Aussagen sind also richtig:
- Wärme breitet sich in einem Körper aus.
- Wärme wird zwischen Körpern übertragen.
Metalle zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Das bedeutet, dass sie große Wärmemengen schnell weiterleiten können.
Im Gegensatz dazu sind Materialien wie Keramik, Plastik, Holz und Luft schlechte Wärmeleiter. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit werden sie häufig als Dämmmaterialien eingesetzt, um zu verhindern, dass Wärme schnell abfließt, und somit eine effiziente Isolierung zu gewährleisten.Folgende Aussagen sind also falsch:
- Jeder Körper kann gleich gut Wärme übertragen.
- Wärmeübertragung findet nur von kalt zu warm statt.
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Erläutere, ob es vorteilhafter ist, ein Doppelfenster mit Luftzwischenraum oder ein einfaches Fenster mit doppelt so dicker Glasscheibe zu verwenden.
TippsDer Luftraum zwischen den beiden Glasscheiben wirkt als isolierende Schicht.
LösungDie Entscheidung, ob es vorteilhafter ist, ein Doppelfenster mit Luftzwischenraum oder ein einfaches Fenster mit doppelt so dicker Glasscheibe zu verwenden, lässt sich wie folgt fällen:
Das Glas leitet die Wärme ungefähr 50-mal besser als trockene Luft. Der Luftraum zwischen den beiden Glasscheiben wirkt als isolierende Schicht, wodurch Wärmeverluste durch das Fenster reduziert werden. Der Luftraum zwischen den Fenstern muss allerdings sehr schmal sein, um Konvektion, also Wärmeströmung, zu verhindern.
Die richtige Antwort lautet also:
- Da das Glas die Wärme besser leitet als trockene Luft, schützen Doppelfenster mit Luftzwischenraum besser vor Energieverlusten als Einfachfenster mit sehr dickem Glas.
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