Wärmetransport

Wärmelehre

Wärmetransport

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

Das Wichtigste auf einen Blick

Wärmetransport kann auf drei unterschiedliche Arten stattfinden: durch Wärmeleitung, durch Wärmemitführung (Wärmeströmung oder Konvektion) oder durch Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)

Im Alltag treten oft mehrere Arten gemeinsam auf

Häufig leistet eine Transportart den mit Abstand größten Beitrag zum gesamten Wärmetransport

Drei Mechanismen des Wärmetransportes

Beim Energietransport in der Wärmelehre kannst du drei wesentlich voneinander verschiedene Transportmechanismen für Wärme unterscheiden.

a)Die Wärmeleitung: Hier wird die Wärme durch Stöße zwischen verschiedenen Teilchen übertragen. Die Teilchen selbst verbleiben jedoch an ihrer Stelle.

b)Die Wärmemitführung (Wärmeströmung, Konvektion): Hier wird die Wärme durch die Bewegung von Materie (Gas oder Flüssigkeit) transportiert. Die Wärme wandert mit der Materie.

c)Die Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung): Hier wird die Wärme durch Strahlung wie z.B. Licht oder Infrarotstrahlung übertragen. Dies ist auch über große Entfernungen und durch ein Vakuum wie das Weltall möglich.

Gemeinsames Auftreten im Alltag

Bei Phänomenen aus dem Alltag treten oft zwei oder auch alle drei Mechanismen gleichzeitig auf. So transportiert ein Heizkörper Wärmeenergie durch Wärmeleitung auf die Luftteilchen um ihn herum. Diese verteilen sich durch die Luftzirkulation im Raum - der Wärmetransport findet hier durch Konvektion statt. Zusätzlich sendet der Heizkörper auch Wärmestrahlung aus. Bei einer solchen Heizung treten also alle Arten des Wärmetransportes auf.

Häufig dominiert jedoch eine Art des Wärmetransportes einen Prozess. So ist z.B. in einem Aquarium die Konvektion besonders wichtig. Von einer Bratpfanne wird Wärmeenergie aber zum Großteil durch Wärmeleitung an das Bratgut weitergeleitet.

Das Wichtigste auf einen Blick

Bei der Wärmeleitung bewegt sich nur die Wärme durch den Körper, die einzelnen Teilchen, aus denen der Körper besteht, bleiben dagegen an ihrem Platz

Wärmeleitung tritt deshalb meistens beim Wärmetransport in und zwischen Festkörpern auf

Metalle sind gute Wärmeleiter, Flüssigkeiten und Gase dagegen sind schlechte Wärmeleiter

1 Wärmeleitung in einem Festkörper

Funktionsprinzip

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. Die Teilchen selbst bewegen sich dabei nicht zu dem Ort, sondern bleiben im Wesentlichen an ihren ursprünglichen Orten (makroskopisch in Ruhe).

Faustregel

Die mathematische Beschreibung der Wärmeleitung ist uns an dieser Stelle noch nicht möglich. Aus den Versuchen zu diesem Thema kannst du jedoch folgende Regel zur Wärmeleitung ableiten:

Metalle sind gute Wärmeleiter, Flüssigkeiten und Gase schlechte Wärmeleiter.

Relative Wärmeleitfähigkeit

Die folgende Tabelle macht eine Aussage über die relative Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe im Vergleich zu trockener Luft. Trockene Luft besitzt die relative Wärmeleitfähigkeit 1.

Styropor
Wasser
Glas
Eisen
Kupfer
1,4
23
40
3 000
15 000

Das Wichtigste auf einen Blick

Bei der Wärmemitführung (Wärmeströmung, Konvektion) bewegt sich die Wärme mit den einzelnen Teilchen, aus denen der Körper besteht, durch den Körper hindurch - es findet also auch ein Materietransport statt

Wärmemitführung tritt in der Regel nur in Flüssigkeiten und Gasen auf.

Wärmemitführung (Wärmeströmung, Konvektion) in einer Flüssigkeit oder einem Gas

Funktionsprinzip

Bei der Wärmemitführung (Wärmeströmung, Konvektion) wandert die Energie von einem Ort höherer Temperatur mit der erwärmten Materie zu einem Ort niedrigerer Temperatur. Der Energietransport ist also - im Gegensatz zur Wärmeleitung und Wärmestrahlung - mit einem Transport von Materie verbunden.
Wärmemitführung tritt daher in der Regel nur in Flüssigkeiten oder Gasen auf, da die Teilchen hier räumlich beweglich sind.

Die folgende Animation zeigt das Funktionsprinzip am Beispiel der Erwärmung eines Wasserbades. Dazu sind nur einige ausgewählte Teilchen dargestellt.

Zustandekommen der Bewegung

Die Bewegung der Materie kann bei der Wärmemitführung durch die Dichteänderungen der erwärmten Materie zustande kommen. Wie in der Animation steigt z.B. wärmeres Wasser (durch die Auftriebskraft) nach oben. Ist die Wärmemitführung auf Dichteänderungen zurückzuführen, spricht man von freier Konvektion. Die Wärmemitführung kann aber auch von außen z.B. durch einen Ventilator bei Gasen oder durch Umrühren bei Flüssigkeiten aufgezwungen sein bzw. verstärkt werden (erzwungene Konvektion).

Verständnisaufgabe

Markiere die zutreffenden Aussagen über den Wärmetransport durch Wärmemitführung.

Lösungsvorschläge
Lösung

Wärmemitführung wird auch als Wärmeströmung oder Konvektion bezeichnet, weil hierbei ein Materietransport stattfinden. Die Wärmeenergie wird mit den Teilchen transportiert. Weiter kannst du zwischen freier Konvektion die bspw. aufgrund von Dichteänderungen zustande kommt und erzwungener Konvektion unterscheiden. Also sind die Antworten 1,4 und 5 korrekt.

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Wärmestrahlung geht in der Regel von jedem Körper aus.
  • Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht.
  • Wärmestrahlung benötigt kein Medium um sich auszubreiten.

Funktionsprinzip

Von jedem Körper geht sog. Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung) aus. Wärmestrahlung benötigt zur Ausbreitung keine materiellen Träger. Die Strahlung breitet sich auch im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit, also etwa \(300 000\,\rm{\frac{km}{s}}\) aus.

Wie intensiv die Wärmestrahlung ist und ob du Teile dieser Strahlung sehen kannst, hängt von der Temperatur des Körpers ab. Grundsätzlich gilt: Je wärmer ein Körper ist, desto intensiver ist die Wärmestrahlung, die von ihm ausgeht. Weiter kannst du z.B. Teile der von der Sonne ausgehenden Strahlung sehen - das Licht. Die von die selbst ausgehende Wärmestrahlung ist hingegen mit dem bloßen Auge nicht sichtbar, da sie im infraroten Bereich liegt.

Transport der Sonnenenergie

Da im Vakuum des Weltall keine Teilchen für Wärmeleitung oder Konvektion vorhanden sind, ist Wärmestrahlung der einzige Transportweg, über den Energie von der Sonne auf die Erde gelangt. Bestimmte Teile der Strahlung von der Sonne, das sichtbare Licht, kannst du sehen. Aber die von der Sonnen ausgehende Strahlung hat auch nicht sichtbare Anteile - zum einen einen infraroten Antei und zum anderen einen ultravioletten Anteil (UV-Licht) .

Aufnahme von Wärmestrahlung

Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann die Strahlung teilweise durchgelassen, reflektiert oder auch absorbiert werden. Versuche zur Wärmestrahlung zeigen, dass ein schwarzer Körper die Wärmestrahlung der Sonne besser absorbiert als einer mit glatter, weißer Oberfläche. Umgekehrt strahlt von zwei gleichtemperierten Körpern derjenige mit schwarzer Oberfläche intensiver als der mit weißer, glatter Oberfläche ab. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass bspw. bei Körpertemperaturen von \(80\,^{\circ}\rm{C}\) die optisch sichtbare Farbe eines Körpers nahezu keinen Einfluss auf seine Abstrahlfähigkeit besitzt, da die von ihm ausgehende Wärmestrahlung weit im infraroten Bereich liegt.

Nutzung von Wärmestrahlung

Bild mit einfacher Wärmebildkamera
Abb.
1
Bild mit einfacher Wärmebildkamera

Die von einem Körper ausgehende Wärmestrahlung wird häufig zum berührungslosen Messen von Temperaturen genutzt. Auch beim Heizen und in der Medizin werden sog. Wärmestrahler eingesetzt.

Infrarotstrahlung

Bei typischen Temperaturen aus unserem Alltag (z.B. 50 °C) kannst du die von einem Körpers ausgehende Wärmestrahlung mit bloßem Auge nicht sehen, da es sich hier größtenteils um sog. Infrarotstrahlung handelt. Mithilfe spezieller Wärmebildkameras kann jedoch auch diese sichtbar gemacht werden (meist in Falschfarbendarstellung).

Der Mensch empfindet Infrarotstrahlung häufig als angenehm, da sie tief in die Haut eindringen kann und nicht schon an der Hautoberfäche vollständig absorbiert wird.

Hinweis: Einfache Wärembildkameras für Smartphones sind inzwischen bereits ab etwa 250 Euro erhältlich.

Verständnisaufgabe

Markiere die richtigen Aussagen über Wärmestrahlung.

Lösungsvorschläge
Lösung

Richtig sind die Aussagen 2, 4 und 5. Aussage 1 ist falsch, da sich Wärmestrahlung auch im Vakuum ausbreitet und Aussage 3 ist falsch, da Wärmestrahlung bei heißem Körpern wieder Sonne auch sichtbares Licht sein kann.

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