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Wärmeübertragung: Wärmeleitung - Arten der Wärmeübertragung

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Wärmeübertragung: Wärmeleitung

Arten der Wärmeübertragung

Unter Wärmeübertragung versteht man einen Energietransport aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen einem thermodynamischen System und seiner Umgebung. 

Heizstrahler
Heizstrahler

Wichtig

2. Hauptsatz der Thermodynamik

Wärme fließt stets vom Ort höherer Temperatur zum Ort niedriger Temperatur. 

Man unterscheidet zwei Arten des Wärmetransports:

  • Die Wärmeleitung und

  • die Wärmestrahlung.

In diesem Abschnitt werden die zwei Arten der Wärmeübertragung aufgeführt (siehe Nußelt 1915: Das Grundgesetz des Wärmeüberganges):

"Es wird vielfach in der Literatur behauptet, die Wärmeabgabe eines Körpers habe drei Ursachen: die Strahlung, die Wärmeleitung und die Konvektion. Diese Teilung der Wärmeabgabe in Leitung und Konvektion erweckt den Anschein, als hätte man es mit zwei unabhängigen Erscheinungen zu tun. Man muss daraus schließen, dass Wärme auch durch Konvektion ohne Mitwirkung der Leitung übertragen werden könnte. Dem ist aber nicht so."

Wärmeleitung

Bei der Wärmeleitung in einem Feststoff (z.B. die Wärmeleitung in einer Wand) wie auch bei der Konvektion, also zwischen einem bewegten Fluid und einem Feststoff wird Wärme aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen.

Beispiel

Wärmeleitung tritt beispielsweise zwischen der Innen- und Außenfläche einer Wand auf, wenn die Innenfläche eine andere Temperatur aufweist als die Außenfläche der Wand.

Bei der Wärmeleitung von einer Oberfläche an ein bewegtes Fluid (oder umgekehrt) ist auch die Rede von Konvektion. Unter der Konvektion (lateinisch: convectum "mitgetragen") versteht man das Mitführen thermischer Energie bzw. Wärme. Die Wärme wird bei der Konvektion an die strömenden Flüssigkeits- bzw. Gasteilchen übertragen und wird dann von den Teilchen mitgeführt. 

Man unterscheidet zwei Arten von Konvektion:

  • die freie Konvektion,

  • die gezwungene Konvektion.

Bei der freien Konvektion resultiert der Teilchentransport ausschließlich aufgrund eines Temperaturunterschieds im Fluid. Dies führt zu Dichteunterschieden der Fluidschichten und damit zu einem strömen des Fluids, weil die Fluidschichten mit geringerer Dichte nach oben steigen, wohingegen die Fluidschichten mit höherer Dichte nach unten sinken.

Beispiel

Heizkessel einer Zentralheizung

Wird dieser an der tiefsten Ebene angebracht, so steigt das warme Wasser durch Konvektion nach oben in die Heizkörper, kühlt dort ab und fließt wieder nach unten.

Heizkessel
Heizkessel

Bei der gezwungenen Konvektion resultiert der Teilchentransport durch äußere Einwirkung (z.B. durch ein Gebläse oder eine Pumpe). Aufgrund der äußeren Einflüsse (z.B. Pumpen) werden Druckunterschiede im Fluid erzeugt, welche zu einer Strömung des Fluids führen.

Wärmestrahlung

Bei der Wärmestrahlung wird die Wärme durch elektromagnetische Wellen (Infrarotstrahlung) übertragen. Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Konvektion benötigt die Wärmestrahlung kein Übertragungsmedium, d.h. die Wärmestrahlung kann sich auch im Vakuum ausbreiten.

Beispiel

Ein Beispiel für Wärmestrahlung ist die Strahlungsenergie der Sonne, welche von der Erde aufgenommen wird.

Sonnenstrahlen
Sonnenstrahlen


Dieser Kurs beschäftigt sich ausschließlich mit der Wärmeleitung. Im ersten Kapitel wird die Wärmeleitung in ruhenden Stroffen behandelt. Danach wird die Wärmeleitung von einer Wand zu einem bewegten Fluid durch erzwungene Konvektion (zweites Kapitel) und durch freie Konvektion (drittes Kapitel) behandelt.