Thermische Eigenschaften, Arten der Wärmeübertragung

In diesem Kurstext erklären wir dir die thermischen Eigenschaften von Baustoffen und die Arten der Wärmeübertragung. 

Thermische Eigenschaften

Wenn man die thermischen Eigenschaften eines Baustoffs oder eines gesamten Bauwerks berechnen möchte, kann man sich in erster Linie auf drei Werte konzentrieren:

1. spezifische Wärmekapazität
2. volumenbezogene Wärmespeicherfähigkeit
3. flächenbezogene Wärmespeicherfähigkeit

Spezifische Wärmekapazität

Die spezifische Wärmekapazität $ c $ gibt an, welche Wärme erforderlich ist, um 1 kg eines Baustoffes um 1 K zu erwärmen (massenbezogene Betrachtung). Mit diesem Wert kann der Wärmeinhalt eines Körper bei einer bestimmten Temperatur sowie bei Änderungen der Temperatur durch Zu- oder Abfuhr von Wärme leicht bestimmt werden. Die spezifische Wärmekapazität ist unabhängig von der Rohdichte des Baustoffs. Baustoffspezifische Werte können Tabellen entnommen werden.

Volumenbezogene Wärmespeicherfähigkeit

Mit der volumenbezogenen Wärmespeicherfähigkeit lässt sich errechnen, wie viel Wärme erforderlich ist, um einen Kubikmeter Baustoff um ein Kelvin zu erwärmen. Nimmt $ Q' $ einen hohen Wert an und ist der Baustoff besonders dick, umso länger dauert die Erwärmung. Man kann sich dies anhand eines Innenraumes vorstellen, welcher durch Sonneneinstrahlung auf der Außenwand erwärmt werden soll. 
Für die Berechnung des Wert benötigen wir dir Angabe der spezifischen Wärmekapazität $ c $ und der Rohdichte $ \rho $:

Flächenbezogene Wärmespeicherfähigkeit

In der Praxis wird die Angabe der flächenbezogenen Wärmespeicherfähigkeit gegenüber der volumenbezogenen bevorzugt. Neben der Angabe von der spezifischen Wärmekapazität $ c $ und der Rohdichte $ \rho $ wird zusätzlich die Schichtdicke $ d $ in der Berechnung berücksichtigt:

Sowohl bei der volumenbezogenen als auch flächenbezogenen Wärmespeicherfähigkeit fällt direkt auf, dass eine erhöhte Rohdichte zu einer Verbesserung der Wärmespeicherfähigkeit führt. Diese Eigenschaften werden dadurch begünstigt:

1. Eine hohe Wärmespeicherung verbessert den sommerlichen Wärmeschutz.
2. Eine hohe Wärmespeicherung wirkt dem schnellem Äbkühlen der Wände entgegen.
3. Die Schwankungen im Heizleistungsbedarf werden reduziert.

Bemessungswerte für Baustoffe

In der nächsten Tabelle siehst du eine Liste von ausgewählten Baustoffen und Vergleichselementen hinsichtlich spezifischer Wärmekapazität und volumenbezogener Wärmespeicherfähigkeit:

Bei allen Angaben in der Tabelle handelt es sich um Bemessungswerte. Genaue Angaben für einen spezifischen Baustoff können Tabellenwerken entnommen werden. 

Arten der Wärmeübertragung

Eines der Grundprinzipien der Thermodynamik besagt, dass Wärme immer einem natürlichen Ausgleichsbetreben unterliegt. Um diesen Vorgang des Ausgleichens zu ermöglichen, ist ein Wärmestrom $ \phi $ notwendig. Dieser überträgt die Wärme von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur. 

Drei Arten von Wärmeübertragung können grundsätzlich unterschieden werden:

1. Wärmeleitung: Die Teilchen in Stoffen stehen unabhängig vom Aggregatszustand (fest, flüssig, gasförmig) in direktem Wärmeaustausch. $\rightarrow $ Molekülbewegung
   
   
   

   Wärmeleitung
2. Wärmestrahlung: Die Wärme wird als elektromagnetische Strahlung an der Oberfläche des Baustoffs abgegeben. $ \rightarrow $ Strahlung 
   
   
   

   Wärmestrahlung
   
   
   
3. Konvektion: Die Teilchen führen ihren Energiegehalt (Wärme) in Flüssigkeiten oder Gasen mit. $ \rightarrow $ Massetransport
   
   
   

   Konvektion