Arten von Wärmeübertragung

Wärmeübertragung ist der Transport von thermischer Energie von einem Körper auf einen anderen. Dem zugrunde liegt ein Temperaturunterschied. Wärme kann dabei auf drei unterschiedliche Arten übertragen werden:

• Wärmeleitung

• Wärmeströmung (Konvektion)

• Wärmestrahlung

In der Praxis kommen die Formen nicht immer getrennt voneinander vor, sondern überlagern sich regelmäßig.

Wärmeleitung (Konduktion)

Die Voraussetzung für die Leitung von Wärme ist Materie, d. h. sie funktioniert nicht in einem Vakuum. Darüber hinaus bedarf es zweier miteinander verbundener Körper, die sich durch einen Temperaturunterschied auszeichnen. Die Wärme überträgt sich dabei stets vom Körper mit der höheren Temperatur auf jenen mit der niedrigeren.

Aus physikalischer Sicht lässt sich dies begründen, da die Bewegungsenergie der Teilchen bei der höheren Temperatur größer ist als bei den Teilchen niedriger Temperatur. Das Zusammenstoßen der Teilchen überträgt sich auf die benachbarten, sodass auch hier die Temperatur weiter ansteigt. Nach Fourier lautet das Grundgesetz der Wärmeleitung daher:

Wärmestromdichte q = λ * grad T,
wobei λ der negativen Wärmeleitfähigkeit entspricht. Ob ein Material ein guter Wärmeleiter ist, hängt vom Wärmeleitkoeffizienten λ ab, dessen Angabe in W / mK erfolgt.

Als besonders gute Wärmeleiter gelten Metalle. Flüssigkeiten hingegen leiten Wärme eher schlecht weiter, während Gase gute Isolatoren sind, da die wärmeleitenden Eigenschaften hier noch geringer sind. Insgesamt leitet ein Material mit einem dichten Gefüge Wärme besser als Stoffe mit einem weniger dichten Gefüge. Im Baugewerbe nennt man diese Baustoffe Wärmdämmstoffe.

Beispiele:

• Wärmeleitung tritt beispielsweise zwischen der Innen- und Außenfläche einer Wand auf, wenn es einen Temperaturunterschied gibt.

• Ein Kochtopf auf dem Herd erwärmt sich über die Herdplatte. Je länger der Topf auf dem Herd steht, desto heißer wird er, bis vielleicht auch der Griff irgendwann heiß ist.

• Übertragung der Wärmeenergie eines Heizelements auf die Spitze eines Lötkolbens.

Wärmeströmung (Konvektion)

Wärmeströmung kann ausschließlich in Flüssigkeiten und Gasen erfolgen, nicht aber in Feststoffen oder innerhalb eines Vakuums. Die Strömung erfolgt aufgrund von Dichteunterschieden, die durch eine einseitige Erwärmung gegeben sind. Die Bewegung erfolgt dabei durch Rühren in einer Flüssigkeit, Durchzug oder auch der Bewegung von Menschen. Die übertragene Wärmestromdichte berechnet sich wie folgt:

q = α * (T_F – T_W),
wobei α dem Wärmeübergangskoeffizienten, T_F der Fluidtemperatur und T_W der Wandtemperatur entspricht.

Das Prinzip der Wärmeströmung lautet hier: Die Wärme als ein Zustand von erhöhter Bewegungsenergie wird von der sich bewegenden Flüssigkeit beziehungsweise dem Gas mitgenommen. Dabei unterscheidet man zwei unterschiedliche Arten von Konvektion:

• erzwungene Konvektion durch eine Strömung infolge eines erzeugten Drucks

• natürliche (auch freie) Konvektion, die sich durch Temperaturunterschiede automatisch ergibt

Beispiele:

• Wärmeströmung findet man in besonderem Maße auch zwischen einzelnen Zonen, die von der Sonne unterschiedlich stark erwärmt wurden. Das kann der Golfstrom sein, aber auch verschiedene Luftschichten in der Höhe und am Boden.

• In einem Raum steigt die warme Luft eines Heizkörpers (die sich durch Wärmeleitung erwärmt) nach oben und erwärmt auch die Raumluft.

• Ein elektrischer Heizstab erwärmt Wasser in einem Gefäß. Durch freie Konvektion verteilt sich die Wärme flächig im Wasser.

• Bei einer Heizungsanlage mit Pumpe wird die Wärme künstlich flächendeckend verteilt. Umgekehrt kann die Wärme eines Heizkessels durch Konvektion in alle Heizkörper strömen.

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung ist die einzige Form der Wärmeübertragung, die auch im Vakuum möglich ist. Wie Licht ist die Wärmestrahlung eine elektromagnetische Strahlung, die von jedem Körper ausgeht bzw. absorbiert wird. Die Höhe der Gesamtstrahlung hängt dabei von der Temperatur, Größe, aber auch der Beschaffenheit der Oberfläche ab, wobei Körper mit höherer Temperatur mehr strahlen. Durch strahlungsundurchlässige Stoffe ist es möglich, die Strahlung zu unterbinden.

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt, wieviel thermische Strahlungsleistung ein Körper aussendet bzw. lässt sich ermitteln, welcher Wärmestrom von einem Körper auf einen zweiten übertragen wird, wenn zwei Körper aufeinander strahlen:

Q₁₂ = ε₁₂ * σ_S * A₁ * (T₁⁴ – T₂⁴)

Dabei entspricht ε₁₂ dem resultierenden Emissionsgrad, σ_s der Stefan-Boltzmann-Konstante, A₁ steht für die strahlende Fläche und T für die Temperatur der Körper.

Beispiele:

• Das bekannteste Beispiel für Wärmestrahlung ist die der Sonne. Die in erster Linie aus Infrarotstrahlung bestehende Strahlung wird von der Erdoberfläche zum Teil absorbiert und erzeugt so Temperaturen, die das Leben auf der Erde ermöglichen. Daneben ist der Treibhauseffekt ein zusätzlicher Faktor, der die durchschnittliche Jahrestemperatur weiter erhöht.

• Ein Beispiel für Wärmestrahlung sind Strahlungsheizungen. Anders als Konvektionsheizungen erwärmen sie nicht die an einem Heizkörper vorbeiströmende Raumluft, sondern die Gegenstände, auf die sie treffen. Das können z. B. in einer Halle Menschen, Maschinen und Bauteile sein. Diese wiederum geben die Wärme ab an die Umgebungsluft, sodass sich diese langsam ebenfalls erwärmt.

• Thermoskannen sind nach innen verspiegelt, um den Verlust von Wärme durch Strahlung zu verringern.

Ausmaß der Wärmeübertragung

Wie stark die Wärme übertragen wird, hängt von mehreren Faktoren ab, die zusammen den Wärmeübertragungskoeffizienten (auch Wärmeübergangskoeffizient genannt) bilden. Dieser berücksichtigt die Wärmeleitfähigkeit der Stoffe, die beeinflusst werden durch:

• Dichte

• Art und Beschaffenheit beteiligter Elemente

• Größe und Fläche

• spezifische Wärmekapazitäten

• Strömungsverhalten (bei fluiden Stoffen)

• Temperaturen der beteiligten Stoffe

Damit ist er keine materialspezifische Konstante, sondern abhängig von verschiedenen Umgebungsvariablen. Die Berechnung erfolgt dabei als:

Q = α * A * (T_F –T_W) * δ t,
wobei: α Wärmeübergangskoeffizient, A Fläche, T_F Temperatur im Fluid außerhalb der Grenzschicht, T_W Wand-, Oberflächentemperatur, Q Wärmestrom

Berücksichtigung in der Heiztechnik

Um Gebäude möglichst energieeffizient zu beheizen, kann man sich die geltenden Regeln der Wärmeübertragung zunutze machen:

• Ein Ventilator beschleunigt den Luftaustausch und verbreitet warme Luft schneller und großflächiger im Raum.

• Je größer ein Heizkörper, desto größer ist auch die Menge vorbeiströmender Luft, die zur gleichen Zeit erwärmt werden kann.

• Bei Flachheizkörpern vervielfältigen mehrere Platten das Auftreffen der Umgebungsluft.

• Flächen und Oberflächen, auf die Wärme trifft, verkleidet man mit reflektierenden oder auch wärmespeichernden Oberflächen.

• Strahlungsheizungen eignen sich in hohen Räumen, da sie verhindern, dass aufgewärmte Luft nach oben steigt und sich unter der Decke staut, während es am Boden weiterhin kalt ist.

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