Wärmeübertragung – Einfach erklärt

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Wärmeübertragungsarten

Inhaltsverzeichnis

1. Wärmeübertragungsarten allgemein
1.1 Grundgleichung
1.2 Gleichung zur Berechnung des Wärmeausgleichs
2. Wärmeleitung
2.1 Richtung der Wärmeübertragung
2.2 Wärmeübergang
2.3 Wärmedurchgang
2.4 Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit
2.5 Experiment zur Wärmeleitung: Fall-Erbsen
3. Wärmestrahlung
3.1 Quellen der Wärmestrahlung
3.2 Eigenschaften von Wärmestrahlung
3.3 Verwendung der Wärmestrahlung
3.4 Experiment zur Wärmestrahlung: Infrarotlampe
4. Wärmeströmung
4.1. Wärmeströmung in der Natur
4.2 Wärmeströmung in der Technik
4.3 Experiment zur Wärmeströmung: Zirkulationsrohr
5. Quellen
6. Eigenständigkeitserklärung

1. Wärmeübertragungsarten allgemein

Als Wärmeübertragung wird die Energieübertragung zwischen zwei Stoffen mit unterschiedlichen Temperaturen bezeichnet. Die Wärmeübertragung geht immer von dem wärmeren Stoff aus. Es gibt drei verschiedene Wärmeübertragungsarten. Diese sind:
· Wärmeleitung
– Findet in allen festen Stoffen statt, besonders in Metallen
Lötkolben
Lockenstab
Tauchsieder
Kochtopf
· Wärmeströmung (Konvektion)
– Findet statt in Flüssigkeiten und Gasen
Heiße Luft über den Kerzen einer Weihnachtspyramide
Golfstrom
· Wärmestrahlung
– Geht von allen Körpern aus, die wärmer sind als ihre Umgebung
Heißer Ofen
Rotlichtlampe
Menschen im kalten Zimmer
Alle drei Arten der Wärmeübertragung können zusammen oder getrennt auftreten.

1.1 Grundgleichung
Mit der Grundgleichung der Wärmelehre lässt sich berechnen, wie viel Wärmeenergie ein Körper aufnehmen kann. Diese Wärmeenergie kann den Körper über die drei verschiedenen Wärmeübertragungsarten aufnehmen. Die Formel lautet: ∆Q = m * c * ∆T
Hierbei steht „ΔQ“ für die aufgenommene Wärmemenge in Joule. „m“ ist die Masse des Körpers, für die die Wärmemenge berechnet werden soll. „c“ ist die spezifische Wärmekapazität des Stoffes. „ΔT“ steht für die Temperaturdifferenz.

Beispiel zur Grundgleichung:
Zwei Liter Wasser sollen von 20 °C auf 80 °C erhitzt werden. Wie viel Energie wird hierfür
benötigt?
„m“ ist bei dieser Aufgabe 2 kg, da 2 Liter Wasser 2 Kilogramm wiegen. „c“, die spezifische Wärmekapazität für Wasser liegt bei 4190 J/(kg*K). „ΔT“ ist 60 Kelvin. Die Rechnung sieht also so aus:
A: Es wird 502,8 kJ Energie benötigt um das Wasser von 20 °C auf 80 °C zu erhitzen

1.2 Gleichung zur Berechnung des Wärmeausgleichs
Die oben genannte Formel hilft uns allerdings nicht, wenn wir wissen wollen, wie viel Grad zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur haben, wenn sie sich berühren und durch die Wärmeleitung die gleiche Temperatur bekommen. Für diese Rechnung benötigen wir folgende Formel:

In dieser Formel ist
– „TM“ die Mischtemperatur in Grad Celsius, also die Endtemperatur
– „c1“ ist die spezifische Wärmekapazität des ersten Stoffes in J / ( kg * K )
– „c2“ ist die spezifische Wärmekapazität des zweiten Stoffes in J / ( kg * K )
– „m1“ ist die Masse des ersten Stoffes in Kilogramm
– „m2“ ist die Masse des zweiten Stoffes in Kilogramm
– „T1“ ist die Temperatur des ersten Stoffes in Grad Celsius
– „T2“ ist die Temperatur des zweiten Stoffes in Grad Celsius

Beispielrechnung zum Wärmeausgleich:
Wir mischen 12 Liter Wasser mit einer Temperatur von 20 Grad Celsius mit 18 Liter Wasser mit einer Temperatur von 40 Grad Celsius. Welche Endtemperatur entsteht nach
dem Mischen?
Da die beiden Stoffe die gleiche spezifische Wärmekapazität haben, kann man c1 und c2
weglassen. Die Formel sieht dann so aus:
m1 = 12 kg
m2 = 18 kg
T1 = 20 °C
T2 = 40 °C
Werden diese Werte in die Formel eingesetzt kommt folgendes Ergebnis heraus:
A: Die Mischung aus dem Wasser hat eine Temperatur von 32 °C.

2. Wärmeleitung

Als Wärmeleitung wird der Vorgang bezeichnet, bei dem Wärme von einem Körper mit höherer Temperatur zu einem Körper mit geringerer Temperatur übertragen wird. Die Wärmeenergie wird dabei durch den Körper hindurchgeleitet. Es gibt Stoffe, welche Wärme sehr gut oder schlechter leiten. Beispiele für gute Wärmeleiter wären Aluminium, Gold, Kupfer, Stahl und Wolfram. Schlechte Wärmeleiter sind Beton, Glas, Holz, Styropor und Luft. Aus diesem Grund sind Häuser mit Wänden aus Beton oder Holz sehr beliebt. Eine Dämmung mit Styropor verbessert die Isolierung um einiges.

2.1 Richtung der Wärmeleitung
Die Wärmeleitung findet nur dann statt, wenn ein Körper zwei Bereiche mit unterschiedlicher Temperatur hat. Die Wärme wird immer vom wärmeren Bereich zum kälteren übertragen. Die durch einen Körper übertragene Wärmeenergie hängt ab von:
– dem Stoff, aus dem der Körper besteht
– der Temperaturdifferenz
– der Länge des Körpers
– der Zeit

2.2 Wärmeübergang
Wärmeleitung kann auch zwischen zwei verschiedenen Stoffen stattfinden. Dabei spricht man dann von Wärmeübergang. Ein Beispiel für den Wärmeübergang ist ein Tauchsieder. Er gibt seine Wärme an das um ihn befindliche Wasser ab.

2.3 Wärmedurchgang
Wärme kann auch von einem Stoff durch einen zweiten hindurch in einen dritten Stoff übergehen. Dieser Vorgang wird Wärmedurchgang genannt. Ein Beispiel hierfür ist die aufgeheizte Luft in einem Raum, welche durch eine Glasscheibe an die Außenluft ihre Wärme abgibt.

2.4 Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit
Wie Wärmeleitfähigkeit von Stoffen wird, so wie auch die Wärmeströmung und Wärmestrahlung, genutzt. Bei einem Lötkolben wird beispielsweise die Heizpatrone im Griffbereich des Lötkolbens erwärmt. Die Wärme wird bis vor zur Kupferspitze geleitet. Bei einem Lötkolben ist die Spitze meistens aus Kupfer, da Kupfer, wie auch viele andere Metalle, ein sehr guter Wärmeleiter ist. Weitere Nutzungen von Wärmeleitung sind Heizplatten, Kochtöpfe oder die Kühlrippen bei Kühlern. Die Wärmeleitung ist aber teilweise auch unerwünscht. Bei Wänden und Fenstern von Gebäuden wird die aufgeheizte Luft aus den Zimmern nach außen abgegeben. Auch bei Griffen von Töpfen und Pfannen kann die Wärmeleitung sehr schmerzhaft werden.

2.5 Experiment zur Wärmeleitung: Fall-Erbsen
Für dieses Experiment stellt man drei Stäbe aus verschiedenen Materialien (Glas, Holz, Aluminium,) in einen Becher mit kochendem Wasser. Am Ende der Stäbe wird jeweils eine Erbse mit Butter befestigt. Die Erbse, welche am Aluminiumstab befestigt war, fällt als erstes ins Wasser. Darauf folgt die Erbse, die am Glasstab befestigt war. Holz leitet Wärme nur sehr schlecht. Deshalb fällt diese Erbse gar nicht ins Wasser. Aluminium ist ein Metall und leitet am besten die Wärme diese Erbse fällt als erstes.

3. Wärmestrahlung

Bei der Wärmestrahlung wird die Wärme über elektromagnetische Wellen (Infrarotlicht) übertragen. Im Unterschied zur Wärmeleitung und Wärmeströmung kann die Wärmestrahlung auch im Vakuum vorkommen.

3.1 Quellen der Wärmestrahlung
Die größte und bekannteste Quelle der Wärmestrahlung ist die Sonne. Circa 38% der Strahlung, die die Sonne ausstrahlt, ist Wärmestrahlung. Die sonstige Strahlung ist Licht und UV-Strahlung. Wärmestrahlung geht außerdem von Heizkörpern, Öfen, Glühlampen oder Kühlern von PKW oder Computern aus. Allgemein lässt sich sagen, dass Wärmestrahlung von allen Körpern mit einer höheren Temperatur als deren Umgebungstemperatur ausgeht. Auch der Mensch gibt Wärmeenergie über die Wärmestrahlung an die Umgebung ab.

3.2 Eigenschaften von Wärmestrahlung
Wenn Wärmestrahlung auf einen Körper trifft, kann dieser sie entweder reflektieren, aufnehmen oder die Wärmestrahlung geht durch ihn hindurch. Wie viel Wärmestrahlung reflektiert, aufgenommen oder durchgelassen wird, ist abhängig von:
– dem Stoff, aus dem der Körper besteht
– der Dicke des Körpers
– der Oberfläche des Körpers
Wenn man im Sommer ein schwarzes T-Shirt an hat, wird einem deutlich wärmer, als wenn man ein weißes T-Shirt an hat. Das liegt daran, dass die Farbe Schwarz Wärmestrahlung nur sehr wenig reflektiert. Deshalb werden für Sonnenkollektoren raue, schwarze Flächen verwendet. Sie sind rau, da durch die Unebenheiten noch weniger Wärmestrahlung reflektiert wird. Bei Tank- oder Kühlwagen werden deshalb helle und glatte Oberflächen verwendet. Sie reflektieren die Wärmestrahlung der Sonne am besten und werden daher nicht stark aufgewärmt.

3.3 Verwendung der Wärmestrahlung
Die Wärmestrahlung wird teilweise genutzt, teilweise ist sie aber auch unerwünscht. Im medizinischen Bereich werden oft Infrarotlampen genutzt, um die bei der Benutzung Einer solchen Lampe entstehende Wärmestrahlung auf schmerzende Muskeln zu richten und sie dadurch zu wärmen. Bei der Aufzucht von Tieren oder Wärmen von kleineren Räumen werden oft Infrarotstrahler eingesetzt. Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip, wie eine Infrarotlampe. Unerwünscht ist die Wärmestrahlung bei Wasserleitungen im Haus. Die in den Wänden verlegten Leitungen strahlen Wärme aus, welche von den Wänden aufgenommen wird. Dadurch wird das Wasser bereits auf dem Weg zum Heizkörper oder Wasserhahn abgekühlt. Das ist natürlich nicht erwünscht, deshalb werden die Warmwasserrohe isoliert verlegt. Auch die Wärmestrahlung der Sonne ist kann genutzt werden. Sonnenkollektoren wandeln die Wärmestrahlung in Strom um oder erwärmen Wasser.

3.4 Experiment zur Wärmestrahlung: Infrarotlampe
Ich stelle eine Infrarotlampe und zwei Quader auf den Tisch. Der eine Quader hat eine raue, schwarze Oberfläche, der zweite ist silbern und glatt. Ich messe vor Beginn des Experiments die Temperatur der beiden Quader und notiere sie. Als nächstes wird die Infrarotlampe eingeschaltet und auf die beiden Quader gerichtet.  Nach ca. 1 Minute messe ich wieder die Temperaturen der beiden Quader. Der schwarze, raue Quader ist deutlich wärmer als der silberne. Das liegt daran, dass der schwarze Quader die Wärmestrahlung nicht reflektiert und die Wärme viel besser aufnimmt, als der silberne. Der silberne reflektiert die Wärmestrahlung und erwärmt sich dadurch kaum.

4. Wärmeströmung

Bei der Wärmeströmung wird die Wärme über strömende Flüssigkeiten oder Gase wie zum Beispiel Wasser oder Luft übertragen. Dieser Vorgang wird auch als Konvektion bezeichnet.
Wie viel Wärme übertragen wird, ist abhängig von:
– dem Stoff, der die Wärme transportiert
– der durchströmten Fläche
– der Temperaturdifferenz
– der Strömungsgeschwindigkeit
– der Zeit

4.1 Wärmeströmung in der Natur
Auch in unserer Natur kommt die Wärmeströmung vor. Unser Klima und das davon abhängende Wetter, ist von verschiedenen Wärmeschichten abhängig. Bei südlichen oder südwestlichen Luftströmungen kommt warme Luft nach Deutschland, da in den südlichen Teilen der Welt ein sehr warmes Klima herrscht. Kommen die Luftströmungen jedoch aus östlichen Richtungen, kommt kalte Luft aus den östlichen Gebieten der Welt zu uns. Auch die Wärmeströmung in Flüssen und Meeren beeinflusst uns teilweise sehr. Große Meeresströmungen, wie zum Beispiel der Golfstrom bringen warmes Wasser aus der Karibik zu den Küsten Irlands, Englands, Schottlands, Norwegens und Russlands. Dies bewirkt zum Beispiel, dass die norwegische Westküste trotz sehr kalter Temperaturen immer eisfrei bleibt.

4.2 Wärmeströmung in der Technik
In der Technik wird die Wärmeströmung meist in Flüssigkeiten genutzt. Bei im Keller stehenden Heizungen wird Wasser bevorzugt, weil es eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität hat. Das durch die Heizung im Keller erwärmte Wasser steigt von alleine in den Leitungen im Haus nach oben und durch die im Haus verteilten Heizkörper. An den Heizkörpern gibt es über die Wärmestrahlung (Seite 6) Wärme an die Wohnräume ab. Wenn das Wasser dadurch wieder abgekühlt ist, „fällt“ es durch eine zweite Leitung wieder nach unten in den Keller zur Heizung und wird dort wieder erwärmt. Ein weiteres Beispiel für Wärmeströmung in der Technik sind Kühlsysteme in Autos. Bei ihnen wird das vom Motor erwärmte Kühlwasser über Leitungen zum Kühler gebracht und dort wieder abgekühlt.

4.3 Experiment zur Wärmeströmung: Zirkulationsrohr
Zur Durchführung des Experimentes „Zirkulationsrohr“ wird ein Zirkulationsrohr mit Wasser gefüllt und an einem Stativ waagrecht aufgehängt. In die Öffnung des Zirkulationsrohres wird eine Messerspitze Eaosin (Farbstoff) oder etwas Tinte eingefüllt. Jetzt wird mit einem Bunsenbrenner die untere linke Ecke des Zirkulationsrohrs erwärmt. Man sieht, dass der Farbstoff durch das Zirkulationsrohr fließt. Das liegt daran, dass der Bunsenbrenner das Wasser in der unteren linken Ecke erwärmt und es dadurch nach oben strömt. Dort kühlt es langsam wieder ab und fällt auf der rechten Seite wieder hinunter. Das Zirkulationsrohr basiert auf dem gleichen Prinzip wie eine Hausheizung.

5. Quellen

http://www.ikg.rt.bw.schule.de/fh/schowalter/physik/experimente/waerme.htm
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/waermeuebertragung
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/waermestroemung
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/waermestrahlung
https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/waermeleitung
https://www.frustfrei-lernen.de/thermodynamik/waermeuebertragung.html
https://www.halmburger.eu/1008-informationen-waermeuebertragung-schutzbereiche.html
Duden Schnell-Merk-System Physik, 2003 Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG,
Mannheim und PAETEC Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin, Seite 38 ff
Duden Basiswissen Schule Physik, 2015 Bibliographisches Institut GmbH, Berlin,
Seite 166ff

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Dennis.fly

Schüler am Technischen Gymnasium Überlingen Interessiert an Elektronik und Softwareentwicklung

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