Wärmeübertragung

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Einleitung und Definitionen
• Definitionen und Begrifflichkeiten
• Wärmeleitung
• Wärmeströmung (Konvektion)
• Wärmestrahlung
• Wärmedämmung

Einleitung und Definitionen

Wärme und das Übertragen von Wärme sind ein wichtiger Bestandteil des menschlichen Lebens. Mit einer Heizung erzeugen wir Wärme, wenn es draußen kalt ist. Außerdem benötigen wir Wärme zum Kochen. Vor tausenden von Jahren entfachten die ersten Menschen Feuer, weil sie sich wärmen wollten.

Definitionen und Begrifflichkeiten

Wärme ist eine Form der Energie und kann von einen auf einem anderen Körper übergehen. Es gibt drei Arten von Wärmeübertragung: Die Wärmeleitung, die Wärmeströmung (Konvektion) und die Wärmestrahlung. Im Alltag verwenden wir Energiewandler, die aus elektrischer oder chemischer Energie Wärmeenergie erzeugen. Die Güte solcher Energiewandler wird bestimmt durch den Wirkungsgrad.

$\eta=\frac{Q}{E}$,

dem Verhältnis zwischen erzeugter Wärme $Q$ und eingespeister Energie $E$. Da es immer Verluste gibt, ist stets $\eta<1$. Ein weiteres Maß für die Güte eines Energiewandlers ist die thermische Leistung

$P=\frac{Q}{t}$,

mit der Einheit Watt (W). Sie beschreibt die erzeugte Wärme pro Zeit.

Wärmeleitung

Die Wärmeleitung findet bei direktem Kontakt zweier Körper (Topf und Herdplatte) oder innerhalb eines Körpers (Löffel im Tee) statt. Wärme regt die kleinsten Teilchen in einem Stoff zu Schwingungen an, die an die nächsten Nachbarteilchen weitergegeben werden. Auf diese Art erwärmt sich nach und nach der ganze Körper: Ein Metalllöffel im heißen Tee wird heiß, obwohl nur die Spitze im Tee steckt. Es findet Wärmetransport ohne Materietransport statt. Zudem gibt es gute und schlechte Wärmeleiter. Ein hölzerner Kochlöffel wird beispielsweise kaum warm. Versuche dich doch selbst einmal an einigen Experimenten zur Wärmeleitung.

Wärmeströmung (Konvektion)

Bei der Wärmeströmung (Konvektion) funktioniert der Wärmetransport über Strömungen in Gasen oder Flüssigkeiten. Warst du schon einmal in einem See baden, ist dir sicherlich aufgefallen, dass es kältere und wärmere Stellen gibt: Im Wasser gibt es Strömungen unterschiedlicher Temperatur. Auch eine Heizung funktioniert nur durch Konvektion, da sie die Luft in ihrer Nähe erwärmt und diese sich anschließend im ganzen Raum verteilt.

Die Konvektion ist also eine Wärmeübertragung mit Materietransport. Sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen gilt: Warme Schichten steigen nach oben und kalte fallen nach unten. So ist ein stetiger Wärmeaustausch gewährleistet.

Wärmestrahlung

Die dritte und letze Form der Wärmeübertragung ist die Wärmestrahlung. Im Unterschied zur Leitung und Konvektion benötigt die Strahlung kein Transportmedium. Nur so kann die Wärmestrahlung der Sonne durch das Vakuum des Alls die Erde erreichen. Auch ein Lagerfeuer gibt Wärmestrahlung ab. Diese ist elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich. Jeder Körper einschließlich Menschen, Bäume und Häuser gibt infrarote Wärmestrahlung ab, die zwar nicht mit bloßem Auge, dafür aber mit Wärmebildkameras gesehen werden kann. Ebenso kann Wärmestrahlung absorbiert werden. Dunkle Gegenstände tun dies besonders gut. Dies ist der Grund, warum Schwarzes im Sommer immer so heiß wird.

Wärmedämmung

Nicht immer ist es gewollt, dass Wärme übertragen wird. Beispielsweise soll ein Haus auch im Winter warm oder der Inhalt eines Kühlschranks kalt bleiben. Dann benötigt man Wärmedämmung. Am Beispiel einer Thermoskanne lassen sich zu jeder der drei Wärmeübertragungsarten Gegenmethoden verdeutlichen. Zur Verhinderung der Wärmeleitung, die auf direktem Kontakt beruht, wird zwischen Innenwand und Außenwand der Thermoskanne eine luftleere Zwischenschicht eingebaut. Damit ebenso Konvektion unterdrückt wird, darf sich dort möglichst wenig Materie befinden, die zirkulieren kann. Gegen Wärmestrahlung hilft Metallfolie, die die Strahlung reflektiert. Daher glänzt das Innere einer Thermoskanne metallen.