Wir definieren Wärmeübertragung als die Übertragung eines Energieflusses in Form von Wärme von einem Körper auf einen anderen. Es gibt verschiedene Mechanismen zur Wärmeübertragung, aber bei allen wandert die Wärme gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vom heißen Körper zum kalten Körper.
Die Wärmeübertragung spielt eine entscheidende Rolle für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Wir finden in unserem täglichen Leben viele Beispiele für Wärmeübertragung. Ebenso ist es in vielen industriellen Prozessen von großer Bedeutung.
Mechanismen der Wärmeübertragung
Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Leitung, Konvektion und Strahlung:
- Übertragung durch Leitung : Wärmeleitung tritt auf, wenn zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur in direktem Kontakt stehen. Über die Kontaktpunkte gelangt Wärme vom heißen zum kalten Objekt.
- Übertragung durch Wärmestrahlung : Dieser Wärmeübertragungsmechanismus erfolgt durch elektromagnetische Wellen und kann durch ein Vakuum übertragen werden. Die übertragene Wärmemenge hängt von der Wellenlänge ab. Auf diese Weise breitet sich die Sonnenstrahlung durch das Sonnensystem aus.
- Wärmeübertragung durch Konvektion: Der Konvektionsprozess erfolgt über ein Zwischenmedium, das Energie transportiert, normalerweise Flüssigkeiten und Gase wie Luft oder Wasser.
Leitungsübertragung
Die Übertragung durch Leitung erfolgt, wenn zwei Substanzen in direktem Kontakt stehen und ein Temperaturunterschied besteht.
Wärme fließt von Partikeln mit höherer kinetischer Energie (Temperatur) zu weniger energiereichen (kälteren) Partikeln. Der Wärmefluss hängt von der Temperaturdifferenz über die Distanz (dem Temperaturgradienten) und dem inneren Widerstand gegen den Wärmefluss des betreffenden Materials ab, der als Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bezeichnet wird. Dieses Prinzip kommt im Fourierschen Gesetz zum Ausdruck.
Beispiel für Wärmeleitung
Ein Beispiel für die Wärmeübertragung durch Leitung ist das Berühren eines Stücks Eis mit der Hand. Die Kälte, die wir empfinden, entsteht dadurch, dass wir Wärme von unserem Körper auf das Eis übertragen.
Strahlungsübertragung
Übertragung thermischer Energie durch Strahlung. Dabei handelt es sich um die Übertragung von Wärme zwischen zwei Körpern, die nicht miteinander in Kontakt stehen, ohne dass ein Zwischenprodukt verwendet wird. Ein Körper ist heiß und sendet daher viel elektromagnetische Strahlung aus und verliert dadurch Wärme, und der andere Körper absorbiert einen Teil der einfallenden Strahlung und wandelt sie in Wärme um.
Beispiel für Wärmeübertragung durch Strahlung
Ein Beispiel für Strahlungsübertragung ist die ultraviolette Strahlung der Sonne. Sonnenenergie wird durch elektromagnetische Wellen durch den Weltraum übertragen.
Konvektionsübertragung
Konvektive Wärmeübertragung ist die Übertragung von Wärme durch die Verdrängung einer warmen Flüssigkeit oder eines heißen Gases oder einer kalten Flüssigkeit oder eines kalten Gases. Wenn Wärme von der Strömung mitgerissen wird, kann das Ausmaß der Strömung durch den Wärmeübergangskoeffizienten ausgedrückt werden.
Es gibt zwei Arten der thermischen Konvektion:
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Die natürliche Konvektion erfolgt ohne künstliche Hilfe. Die Bewegung der Flüssigkeit wird durch Dichteunterschiede aufgrund des Temperaturunterschieds erzeugt.
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Erzwungene Konvektion entsteht, wenn die Flüssigkeitsbewegung durch einen künstlichen Mechanismus, beispielsweise eine Wasserpumpe, erfolgt.
Beispiel für Wärmeübertragung durch Konvektion
Ein Beispiel für die Wärmeübertragung durch Konvektion ist der Betrieb eines Ventilators. Bei laufendem Ventilator nimmt die Umluft die heiße Luft, die mit der Haut in Berührung kommt, ab und ersetzt sie durch kühlere Luft.
Ein weiteres Beispiel für Konvektion ist eine heiße Dusche. Der elektrische Erhitzer erhitzt Wasser, indem er seine Wärmeenergie erhöht. Das heiße Wasser fließt durch die Rohre bis zur Dusche, fällt auf uns und überträgt die Wärme.
Verwandte Gesetze der Physik und Thermodynamik
Die Wärmeübertragung unterliegt mehreren Grundgesetzen der Physik und Thermodynamik.
Zunächst heben wir das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung hervor, das beschreibt, wie sich Wärme durch ein festes Material ausbreitet. Je größer der Temperaturunterschied zwischen zwei Punkten ist, desto größer ist die Wärmeübertragungsrate.
Konvektion, ein weiterer Wärmeübertragungsmechanismus, folgt den Gesetzen der Flüssigkeitsphysik, bei der die Dichte und die Temperatur der Flüssigkeit die Wärmeübertragung beeinflussen.
Schließlich unterliegt die Wärmestrahlung dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, das besagt, dass die Strahlungsrate proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur ist.
