Die drei Arten der Wärmeübertragung

Grundlagen der Wärmeübertragung

Bevor wir uns die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung anschauen, wiederholen wir, was man unter dem Begriff Wärme versteht. Wärme ist eine Form der Energie und kann von Körpern aufgenommen und abgegeben werden. Sie wird auch als Wärmeenergie bezeichnet. Wärme besitzt das Formelzeichen $Q$ und wird in der Einheit Joule, kurz $\pu{J}$, angegeben. Sie wird berechnet mit:

$Q = m \cdot c \cdot \Delta\,T $

Die Wärme ist also abhängig von der Masse $m$ des Körpers, von dem Wärmekoeffizienten $c$ des Körpers und vom Temperaturunterschied $\Delta\,T$.

Was ist Wärmeübertragung?

Bei der Wärmeübertragung wird ein Teil der Energie von einem warmen Körper an einen kälteren abgegeben. Das geschieht so lange, bis ein Temperaturausgleich stattgefunden hat und beide Körper dieselbe Temperatur haben. Es gibt drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung. Im Folgenden schauen wir uns diese drei Wärmeübertragungsarten genauer an.

Wärmeleitung

Erhitzt man eine große Schraube nur auf einer Seite, so merkt man schnell, dass die komplette Schraube warm wird. Bei der Wärmeleitung wird nur die Wärme innerhalb eines Körpers weitergegeben, die einzelnen Teilchen verlassen ihren Platz nicht. Sie tritt deshalb häufig in Festkörpern auf. Die angeregten Atome auf der Seite der Erwärmung schwingen durch die höhere Temperatur immer schneller. Diese schnellere Schwingung wird von Atom zu Atom bis zum anderen Ende des Festkörpers übertragen. Es kommt zu einem Temperaturausgleich innerhalb des Körpers.
Es gibt Stoffe, welche bessere Wärmeleiter sind als andere. Meist sind gute Wärmeleiter auch gute elektrische Leiter, wie zum Beispiel Kupfer. Plastik hingegen ist ein schlechter Wärmeleiter.
Auch Flüssigkeiten und Gase können Wärme leiten, sie sind allerdings schlechte Wärmeleiter.

Wärmeströmung/Konvektion

Im Gegensatz zur Wärmeleitung ist die Wärmeströmung immer verbunden mit einem Transport von Teilchen. Deshalb beschränkt sie sich auf Flüssigkeiten und Gase. Die transportierten Teilchen führen ihre Energie mit und können diese an einem kälteren Ort abgeben.
Schauen wir uns das Beispiel einer Meeresströmung an. Diese kann durch einen Temperaturunterschied im Wasser entstehen. Ist das Wasser an einem Ort wärmer als an einem anderen, so entsteht ein Strom vom wärmeren zum kälteren Ort. Die warme Meeresströmung kann dann die Wärme an ihre Umgebung abgeben. Dabei erfolgt die Strömung immer vom Warmen zum Kalten.

Wärmestrahlung

Bei der Wärmestrahlung wird Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen. Diese können von Stoffen reflektiert, absorbiert oder hindurchgelassen werden. Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Wärmeströmung kann die Wärmestrahlung auch im Vakuum stattfinden. Das heißt, es wird keine Materie benötigt. Alle Körper geben Wärmestrahlung ab. Die Menge ist abhängig von der Temperatur des Körpers. Ein typischer Wärmestrahler ist die Sonne.

Unterschied Wärme und Temperatur

Wie wir gesehen haben, ist Wärme eine Energieform, die übertragen werden kann. Die Temperatur beschreibt im Gegensatz zur Wärme die mittlere Bewegungsenergie von Teilchen. Die Temperatur beschreibt also einen Zustand. Sie wird als Zustandsgröße bezeichnet, während die Wärme eine Prozessgröße ist. Die Temperatur besitzt das Formelzeichen $T$ und wird in der Einheit Kelvin, kurz $\pu{K}$, angegeben.

Zusammenfassung Wärmeübertragung

Wir fassen die wichtigsten Stichpunkte zur Wärmeübertragung noch einmal zusammen:

• Wärme ist eine Energieform.
• Sie kann durch Wärmeleitung, Wärmeströmung oder Wärmestrahlung übertragen werden.
• Wärmeleitung wird durch angeregte Schwingungen von Atomen in Festkörpern verursacht, es gibt keinen Materietransport.
• Wärmeströmung ist immer mit einem Transport von Materie verbunden.
• Wärmestrahlung wird durch elektromagnetische Wellen übertragen und benötigt keine Materie.

Meist kommen die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung gemeinsam vor. Schauen wir uns dafür eine Glühlampe an. Das Metall im Inneren der Glühlampe heizt sich durch Wärmeleitung langsam auf. Dieses Metall gibt Wärme an die Luft weiter, dort kann Wärmeströmung auftreten. Die gesamte Glühlampe strahlt Wärme an ihre Umgebung ab. Bei LEDs tritt diese Erwärmung weniger stark auf – sie sind also als Leuchtmittel effizienter.