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Wärmetransport

Die Wärmeübertragung oder der Wärmetransport ist ein Bereich innerhalb der Thermodynamik, der sich mit der Erzeugung, Umwandlung, Nutzung, und dem Austausch von Wärmeenergie zwischen mindestens zwei physikalischen Systemen beschäftigt.

Die Wärmeübertragung wird in unterschiedliche Segmente oder Mechanismen eingeteilt, so etwa Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Energieübertragung mittels Phasenwechsel. Im Ingenieurswesen wird auch die Übertragung von Masse verschiedener physikalischer Zustände, entweder heiß oder kalt, um eine Wärmeübertragung zu erreichen, berücksichtigt. Während diese Prozesse von unterschiedlichen Eigenschaften begleitet werden, treten sie nicht selten gleichzeitig im selben System auf.

Diffusion oder Wärmeleitung ist der mikroskopische Austausch kinetischer Energie von Partikeln direkt durch die Grenze zwischen zwei Systemen. Befindet sich z. B. ein Objekt auf einer unterschiedlichen Temperaturebene zu einem anderen unmittelbar angrenzenden Objekt, fließt Wärme, so dass beide Objekte und die Umgebung die gleiche Temperatur erreichen und sich zu diesem Zeitpunkt im thermischen Gleichgewicht befinden. Eine solche spontane Wärmeübertragung erfolgt grundsätzlich von einem Bereich hoher Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur, wie es im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben ist. Wärmekonvektion tritt dann auf, wenn der Massenstrom von einem Fluid (ein Gas oder eine Flüssigkeit) Wärme zusammen mit dem Materiestrom in dem Fluid transportiert. Der Flüssigkeitsfluss kann hierbei durch externe Prozesse und manchmal (etwa in Gravitationsfeldern) durch Auftriebskraft erzwungen werden, die beispielsweise entsteht, wenn durch Wärmeenergie das Fluid ausgedehnt wird, wodurch seine eigene Wärme-Übertragung beeinflusst wird. Der letztgenannte Prozess wird nicht selten als natürliche Konvektion benannt. Alle konvektiven Prozesse erzeugen Wärmebewegungen, teilweise durch Diffusion. Eine weitere Form der Konvektion wird als erzwungene Konvektion bezeichnet. Hierbei wird die Flüssigkeit durch Einsatz einer Pumpe oder eines anderen mechanischen Mittels zum Fließen gezwungen.

Wärmestrahlung ist die Übertragung von Energie mittels Photonen in elektromagnetischen Wellen.

Mechanismen des Wärmetransports

Der Strömungstransport bezeichnet den Mechanismus einer Flüssigkeit, die sich mittels eines Impuls bewegt (z. B. Trinken eines Heißgetränks)

Diffusion ist der direkte Übertrag von Wärmeenergie zwischen zwei Objekten (z. B. Heizkissen im Bett)

Konvektion ist unter anderem der Wärmetransport mittels aufsteigender Wärme innerhalb eines Fluids (z. B. altrömische Fußbodenheizungen).

Wärmetransport mittels Strahlung, also der Energieübertrag durch Emission elektromagnetischer Wellen oder Moleküle (z. B. Heizstrahler oder Heizung).

Abgesehen von den im vorangegangen Abschnitt in Klammern aufgeführten Beispielen für die Anwendung ist der Wärmetransport ein fundamentaler Bestandteil eines Großteils vieler physikalischer Prozesse und selbstverständlich ein wichtiges Instrument innerhalb des globalen Wettergeschehens und der Klimaentwicklung. Flora und Fauna sind unmittelbar vom globalen und regionalen Wärmetransport beeinflusst. Auch der Treibhauseffekt ist eine Folge vom globalen Wärmetransport, wobei hier aktuell der Mensch aufgrund ständig steigender Emissionen der Hauptverursacher ist.

Eine wichtige Rolle spielen Wärmeströmungen in der Architektur von Gebäuden genauso wie in der Kühltechnik. Zu beiden Bereichen bestehen verschiedene Techniken, die je nach Bedarf den Wärmetransport beeinflussen, wobei es grundsätzlich darum geht, entweder Wärmeströme abzuführen (Kühlung) oder Wärmeströme zuzuführen (Heizung).

Quizfragen zum Thema

1. Wie funktioniert ein Wärmetauscher?

   Bei einem Wärmetauscher wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen Übertragen. Dazu befinden sich zwei voneinander getrennte Kreisläufe im Wärmetauscher. Die Trennschicht zwischen den Kreisläufen ist jedoch nicht isolierend, sondern erlaubt den Wärmeübertrag mittels Diffusion, beispielsweise in der Solarthermie.

2. Was ist der Wärmeübergangskoeffizient?

   Beim Wärmeübergangskoeffizient handelt es sich um einen proportional zu bemessenden Faktor beim Wärmeübergang von einem festen Material zu einem Fluid. Bestimmte Materialien besitzen hierzu spezifische Kennzahlen, etwa Dämmstoffe im Bauwesen.

3. Was ist induktive Erwärmung?

   Die induktive Erwärmung entsteht durch magnetische Wechselfelder, die in elektrisch leitfähigen Körpern Wirbelströme erzeugen und diese so aufheizen. Es ist folglich kein Wärmetransport aus Sicht der Thermodynamik.

4. Wo kommt der Begriff Wärmebrücke häufig vor?

   Im Bauwesen wird oft dann von Wärmebrücken gesprochen, wenn ein wärmeleitendes Element des Bauwerks den Innenbereich mit dem Außenbereich verbindet. Es wird auch als Kältebrücke bezeichnet. Über diese Brücke geht Wärmeenergie verloren.

5. Wie entsteht ein Hurrikan?

   Wenn das Meerwasser des südlichen Atlantiks oder des Pazifiks über 26,5 Grad warm ist, verdunstet das Oberflächenwasser und steigt mittels Konvektion auf. Das Wasser kondensiert in großen Höhen und bildet Wolken aus, gleichzeitig werden die Wolken durch die Corioliskraft in Rotation versetzt. Die freiwerdende Wärmeströmung und damit die Wärmeenergie in einem Hurrikan ist enorm. Sie kann Winde entstehen lassen, die bis zu 250 km/h schnell sind.

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