Wärmetransport

Wärmelehre

Wärmetransport

  • Warum werden Häuser mit Schaumstoffen gedämmt?
  • Wie bleiben Tiere im Winter warm?
  • Wie kommt eigentlich die Wärme der Sonne zur Erde?

Beim Energietransport in der Wärmelehre unterscheidet man drei wesentlich voneinander verschiedene Transportmechanismen, die Wärmeleitung, die Wärmeströmung (Konvektion) und die Temperaturstrahlung. Diese drei Mechanismen treten oft gleichzeitig auf.


Bei der Wärmeleitung wandert die Energie von einem Ort höherer Temperatur durch makroskopisch in Ruhe befindliche Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur.
Die Weitergabe der Energie erfolgt durch ungeordnete Teilchenstöße, wobei die Teilchen im Wesentlichen an ihren ursprünglichen Orten bleiben.

Die mathematische Beschreibung der Wärmeleitung ist uns an dieser Stelle noch nicht möglich. Du sollst dir jedoch einige allgemeine Ergebnisse einprägen, die sich aus den Versuchen zur Wärmeleitung ergeben:

Metalle sind gute, Flüssigkeiten und Gase schlechte Wärmeleiter.

Die folgende Tabelle macht eine Aussage über die relative Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe im Vergleich zu trockener Luft (relative Wärmeleitfähigkeit: 1).

Styropor
Wasser
Glas
Eisen
Kupfer
1,4
23
40
3 000
15 000
Wärmeleitung im Teilchenmodell
  • Bei der Wärmeströmung (Konvektion) wandert die Energie von einem Ort höherer Temperatur mit der erwärmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur.
    Der Energietransport ist - im Gegensatz zur Wärmeleitung - mit einem Materietransport verbunden.
  • Die Bewegung der Materie kann von außen z.B. durch einen Ventilator bei Gasen oder eine Pumpe bei Flüssigkeiten aufgezwungen sein (erzwungene Konvektion). Oft kommt die Bewegung aber auch durch die Dichteänderungen der erwärmten Körper zustande (Auftriebskraft). In diesem Fall spricht man von freier Konvektion.
  • Konvektion tritt in der Regel nur bei Flüssigkeiten und Gasen auf.
  • Vergleiche hierzu die Versuche und Anwendungsbeispiele zur Konvektion.

 

Konvektion im Teilchenmodell (dargestellt an einigen ausgewählten Teilchen eines Wasserbades)

  • Die Sonne schickt nicht nur sichtbares Licht auf die Erde, die Strahlung enthält u.a. auch einen für unser Auge nicht sichtbaren Anteil, der die Erde erwärmt (Infrarotstrahlung). Da der Raum zwischen Sonne und Erde weitgehend materiefrei ist, kommt ein Transportmechanismus wie wir ihn bei der Wärmeleitung bzw. bei der Konvektion kennen gelernt, haben nicht in Frage.
  • Die Temperaturstrahlung braucht keinen materiellen Träger, sie breitet sich auch im Vakuum aus (dort mit der Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s).
  • Je heißer ein Körper ist, desto intensiver ist die von ihm ausgehende Temperaturstrahlung.
  • Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann die Strahlung teilweise durchgelassen, reflektiert oder auch absorbiert werden.
  • Wie die Versuche zur Temperaturstrahlung zeigen, strahlt von gleichtemperierten Körpern derjenige mit schwarzer Oberfläche intensiver als der mit weißer glatter Oberfläche ab. Umgekehrt absorbiert ein schwarzer Körper die Temperaturstrahlung besser als einer mit glatter weißer Oberfläche.


Entfernung Erde-Sonne: 150 Mio. km
Sonnenradius: 700 000 km
Erdradius: 6370 km

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