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Wärmeübertragung

Wärmeübertragung

Hast Du schon mal einen Löffel in Deiner warmen Suppe gelassen und dann festgestellt, dass der Löffel nach einer Weile wärmer war als vorher? Die Wärme von dem Ende, wo der Löffel in der Suppe war, wurde auch an das Ende vom Löffel geleitet, welches sich außerhalb der Suppe befand. Und hast Du vielleicht schon bemerkt, dass es einen Unterschied gibt, wenn der Löffel aus Metall ist und wenn er z. B. aus Plastik ist?

Das eben beschriebene Ereignis ist ein Beispiel für Wärmeübertragung.

Wärmeübertragung Definition

Damit Wärmeübertragung stattfinden kann, braucht es zwei Objekte oder Orte mit unterschiedlichen Temperaturen, wie z. B. die warme Suppe und der kalte Löffel. Die Wärmeübertragung findet dabei vom wärmeren Objekt auf das kältere Objekt statt. Die Suppe erwärmt demnach den Löffel. Die Wärmeübertragung folgt damit also dem Grundgesetz des Wärmeaustausches.

Wenn Du mehr über das Grundgesetz des Wärmeaustausches erfahren möchtest, kannst Du gern die entsprechende Erklärung dazu lesen.

Was genau ist das Grundgesetz des Wärmeaustauschs?

Wärmeübertragung oder auch Wärmetransport beschreibt die Übertragung von Wärme von unterschiedlich warmen Systemen über ihre Systemgrenzen hinweg. Dabei überträgt sich die Wärme vom System der höheren Temperatur auf das System der niedrigeren Temperatur.

Bei der transportierten Wärme Q handelt es sich um eine Prozessgröße, sie beschreibt also eine Zustandsänderung. In diesem Fall die Übertragung von thermischer Energie auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen den thermischen Systemen.

Der Umstand, dass zwischen zwei thermischen Systemen überhaupt Energieübertragung stattfinden kann, setzt voraus, dass ein Körper überhaupt Wärme aufnehmen und speichern kann. Diese Eigenschaft eines Körpers findet sich in der Wärmekapazität C eines Körpers. Was es mit dieser auf sich hat, erfährst Du in der folgenden Vertiefung.

Die Wärmekapazität C eines Körpers gibt Aufschluss darüber, wie groß die Temperaturerhöhung ΔT durch welche Menge an zugeführter Wärme ΔQ beim Körper feststellbar ist. Es gilt zur Berechnung der Wärmekapazität:

Angegeben wird die Wärmekapazität in der Einheit Joule pro Kelvin.

Unterschieden werden zudem molare und spezifische Wärmekapazität. Für beide Kapazitäten findest Du die Werte von homogenen Körpern in Tabellen und musst sie nicht selbst bestimmen.

Die Wärmeübertragung kommt dann zum Erliegen, wenn ein Wärmeausgleich über die Systemgrenzen hinweg zwischen den Systemen erreicht wurde. Das heißt, die Suppe erwärmt den Löffel so lange, bis Suppe und Löffel gleich warm sind. Dann findet keine Wärmeübertragung mehr zwischen Suppe und Löffel statt. Die Wärme, die die Suppe auf den Löffel übertragen hat, kannst Du auch quantitativ bestimmen.

Wärmeübertragung Formel

Für die quantitative Beschreibung der Wärmeübertragung nutzt Du die Größe des Wärmestroms.

Der Wärmestrom , oder auch Wärmefluss genannt, beschreibt die Menge an Wärme ΔQ, welche in einer bestimmten Zeiteinheit Δt vom Ort höherer zum Ort geringerer Temperatur übertragen wird. Es gilt also:

Wärmeübertragung Formel Wärmestrom Wärmeübertragung Formel allgemein StudySmarter

Da es sich beim Wärmestrom um eine thermische Leistung handelt, mit der die thermische Energie pro Zeiteinheit übertragen wird, ist die Einheit des Wärmestroms Watt (W).

Wärmeübertragung Einheit Wärmestrom Wärmeübertragung Formel StudySmarter

Du kannst auch den Wärmestrom durch ein homogenes Medium bestimmen. Das ist vor allem bei der Wärmeleitung noch von Interesse. Dazu später mehr.

Die thermische Leistung, der Wärmestrom, hat auch eine Leistungsdichte. Diese wird Wärmestromdichte genannt.

Die Wärmestromdichte ist die Leistungsdichte der Wärmeübertragung und beschreibt den Wärmestrom in Abhängigkeit zur Übertragungsfläche A der Wärme. Es gilt demnach:

Wärmeübertragung Formel Wärmestromdichte StudySmarter

Die Einheit des Wärmestroms ist Watt pro Quadratmeter (W durch m2).

Wärmeübertragung Einheit Wärmestromdichte StudySmarter

Die Übertragungsfläche A bei der Wärmestromdichte bezieht sich auf die Querschnittsfläche einer homogenen Systemgrenze. Also anders gesagt, auf die Grenzfläche zwischen den Systemen mit unterschiedlichen Temperaturen, an der die Wärmeübertragung stattfindet. Diese Grenzflächen sind auch ein Faktor des Wärmeübertragungskoeffizienten.

Wärmeübertragungskoeffizient

Der Wärmeübertragungskoeffizient zeigt, wie intensiv der Wärmeübergang an einer Grenzfläche zwischen zwei Systemen mit unterschiedlichen Temperaturen ist.

Der Wärmeübertragungskoeffizient α oder auch h, ist ein Proportionalitätsfaktor, der Auskunft darüber gibt, wie groß die Fähigkeit eines, von Flüssigkeit oder Gas umgebenen, Stoffes ist, Wärme an seiner Grenzfläche aufzunehmen bzw. abzugeben.

Die Einheit des Wärmeübertragungskoeffizienten ist Watt pro Quadratmeter mal Kelvin.

Wärmeübertragung Einheit Wärmeübertragungskoeffizient Wärmeübertragung Formel StudySmarter

Dabei gilt grundsätzlich:

  • Je höher der Wärmeübertragungskoeffizient, desto schlechter sind die Wärmedammeigenschaften der betrachteten Stoffgrenze.

  • Je geringer der Wärmeübertragungskoeffizient, desto besser sind die Wärmedämmeigenschaften der betrachteten Stoffgrenze.

Der Wärmeübertragungskoeffizient ist immer in Konfigurationen von Bedeutung, wenn ein Stoff von einer Flüssigkeit oder einem Gas umgeben ist und Wärmeübertragung stattfindet.

Der Wärmeübertragungskoeffizient ist damit das Gegenstück zum Wärmeübergangswiderstand, der den Widerstand einer Grenzfläche gegen einen Wärmestrom angibt.

Üblicherweise wird der Wärmeübertragungskoeffizient zur Berechnung der Wärmeübertragung, also zur Berechnung des Wärmestroms, eingesetzt.

Die Berechnung des Wärmestroms unter Berücksichtigung des Wärmeübertragungskoeffizienten funktioniert wie folgt:

Wärmeübertragung Formel Wärmestrom mit Wärmeübertragungskoeffizient Wärmeübertragungskoeffizient StudySmarter

Dabei ist der Wärmestrom, α der Wärmeübertragungskoeffizient, A die Grenzfläche des von Flüssigkeit oder Gas umgebenen Stoffes und ΔT der Temperaturunterschied.

Weitere Details zur Wärmeübertragung findest Du in der folgenden Vertiefung.

Der Wärmeübertragungskoeffizient ist keine reine Materialkonstante wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, sondern hängt von mehreren Aspekten ab. Dazu gehören die Strömung des Gases oder der Flüssigkeit, die den Stoff umgeben. Außerdem sind auch die geometrischen Verhältnisse und die Oberflächenbeschaffenheit des Stoffes zu beachten. Gerade im Bauwesen werden jedoch zur Vereinfachung häufig pauschale Werte für den Wärmeübertragungskoeffizienten verwendet.

Du kannst vier Arten des Wärmeübertragungskoeffizienten unterscheiden:

  • Der lokale Wärmeübertragungskoeffizient findet seine Anwendung vor allem in Simulationen und theoretischen Konstrukten.

  • Der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient wird meist für technische und geometrische Berechnungen genutzt.

  • Der Wärmeübertragungskoeffizient bei Konvektion

  • Der Wärmeübertragungskoeffizient bei Wärmestrahlung.

Arten der Wärmeübertragung

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung:

Im Alltag treffen übrigens meist mehrere Arten der Wärmeübertragung gemeinsam auf. So auch bei unserem Beispiel mit der Suppe und dem Löffel. Konzentrieren wir uns einmal auf den Suppenlöffel, an dem hauptsächlich die Wärmeleitung stattfindet.

Wärmeleitung und Teilchenmodell

Dein Löffel wird warm, weil er sich mit einem Ende in der warmen Suppe befindet. Wenn Du, während er in der Suppe ruht, gelegentlich den Löffel anfasst, wirst Du spüren, dass sich die Wärme fast kriechend vom Ende des Löffels in der Suppe zum oberen Ende des Griffes ausbreitet. Die Wärme wird von einem Ende des Löffels zum anderen Ende geleitet. Dieser Prozess heißt Wärmeleitung.

Die Wärmeleitung ist eine Form der Wärmeübertragung und wird auch Konduktion genannt.

Sie beschreibt den Prozess der Wärmeübertragung ohne Stofftransport innerhalb von Körpern vom Bereich der höheren hin zum Bereich der niedrigeren Temperatur.

Wie die Wärmeleitung ohne Stofftransport funktioniert, lässt sich mit Hilfe des Teilchenmodells erklären.

Wärmeleitung im Teilchenmodell

Wenn ein Ende des Körpers erwärmt wird, bewegen sich an dieser Stelle die Teilchen schneller. Das bedeutet, ihr Energieniveau hat sich erhöht. Bei ihren Bewegungen können sie mit ihren Nachbarn zusammenstoßen, die sich langsamer bewegen. Die energetisch höheren Teilchen übertragen einen Teil ihrer Energie auf die Teilchen, mit denen sie zusammengestoßen sind. Damit erhöht sich auch das Energieniveau der angestoßenen Teilchen und sie bewegen sich schneller. Der Teil des Stoffes erwärmt sich.

So setzt sich die Kette an Kollisionen und Energieübertragung fort, bis alle Teilchen des gesamten Stoffes ein gehobenes Energieniveau haben und sich gleich schnell bewegen. Da nun die Bewegung aller Teilchen schneller ist als vorher, ist der Körper wärmer als davor.

Die Wärme, die durch die Bewegung der Teilchen übertragen wird, kannst Du mit Hilfe des Wärmestroms berechnen.

Wärmestrom bei Wärmeleitung

Wie Du den Wärmestrom allgemein bestimmen kannst, hast Du oben bereits erfahren. Bei der Wärmeleitung wird der Wärmestrom durch einen homogenen Stoff bestimmt.

Die Wärmeleitung innerhalb eines homogenen Stoffes kannst Du quantitativ über den Wärmestrom bestimmen:

Wärmeübertragung Formel Wärmestrom bei Wärmeleitung Wärmeleitung StudySmarter

Dabei gilt: λ ist die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes, A die Querschnittfläche des Stoffes, l die Länge des Stoffes und T1 und T2 die beiden verschiedenen Temperaturen bzw. ΔT der Temperaturunterschied im Stoff.

In Abbildung 1 findest Du die Größen zur Berechnung des Wärmestroms, mit Ausnahme der Wärmeleitfähigkeit, eingezeichnet. Links und rechts am Körper sind die beiden unterschiedlichen Temperaturen. Rot, der Ort höherer Temperatur und blau der Ort der niedrigeren Temperatur.

Die Wärmeleitfähigkeit findest Du nicht in Abbildung 1. Sie hängt immer von der Art des Stoffes ab, durch die die Wärme geleitet wird.

Die Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit Deines Stoffes musst Du nicht immer zusätzlich bestimmen. Es handelt sich hierbei um eine Materialkonstante.

Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut und schnell ein Körper Wärme transportieren kann. Sie ist material- und temperaturabhängig.

Die Einheit für die Wärmeleitfähigkeit ist Watt pro Meter mal Kelvin.

Wärmeübertragung Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitung Einheit StudySmarter

Diese Materialkonstante gibt also Aufschluss darüber, ob Du es mit einem guten oder einem schlechten Wärmeleiter zu tun hast. Dabei gilt, je höher die Wärmeleitfähigkeit, umso besser ist der Wärmeleiter.

Grundsätzlich kannst Du Dir für die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen merken, dass besonders Metalle Wärme sehr gut leiten, während Flüssigkeiten und Gase für die Wärmeleitung eher weniger geeignet sind. Für Deinen Löffel kannst Du die Wärmeübertragung nun berechnen.

Wärmeübertragung berechnen

Beim Einführungsbeispiel, dem Löffel in der Suppe, handelt es sich um Wärmeleitung. Das eine Ende des Löffels wurde von der Suppe erwärmt und der Löffel leitete innerhalb seines Materials die Wärme zum kälteren Ende, sodass sich auch dieses erwärmt.

Aufgabe:

Angenommen, beim Löffel hätte es sich um einen Messinglöffel gehandelt. Messing hat eine Leitfähigkeit von . Weiterhin angenommen, der Löffel hätte eine Grifflänge von und den Griff entlang eine Querschnittfläche von . Der Temperaturunterschied am Löffelgriff beträgt zu Beginn .

Wie groß ist der Wärmestrom durch den Löffelgriff?

Lösung:

Du hast alle Größen gegeben, um sie in die Formel für den Wärmestrom in einem homogenen Stoff einsetzen zu können:

Der Wärmestrom innerhalb des Löffelgriffs beträgt also .

Die Wärme breitet sich im Löffel also durch Wärmeleitung aus, ohne, dass sich der Stoff im Löffel austauscht.

Wenn Du noch mehr über die Wärmeleitung erfahren möchtest, dann schau gern in die entsprechende Erklärung rein!

Werfen wir doch nun einmal einen Blick auf das Medium, das den Löffel grundsätzlich erwärmt. Diese Aufgabe übernimmt die heiße Suppe, durch die sich auch auf eine Art Wärme bewegen können muss. Aber wie?

Wärmekonvektion

Die Wärmeübertragung in Deiner Suppe funktioniert etwas anders als bei der Wärmeleitung. Flüssigkeiten und auch Gase sind keine besonders guten Wärmeleiter. Ihre Stärke liegt dafür in einer anderen Art der Wärmeübertragung, der Wärmekonvektion.

Wärmekonvektion beschreibt eine Art der Wärmeübertragung, bei dem Wärme durch die Bewegung von Molekülen, also durch Stoffbewegung, von einem Ort zum anderen übertragen wird.

Du kennst vielleicht Aussagen wie: "Die warme Luft steigt nach oben, während die kühle absinkt." Diese Aussagen beruhen auf dem Prinzip der Konvektion. Nehmen wir z. B. die Luft über einem Heizkörper.

Die Luft wird vom Heizkörper erwärmt und steigt nach oben. Damit beginnt eine Luftströmung, denn kalte Luft strömt an den Heizkörper nach, um dort dann ebenfalls erwärmt zu werden und aufzusteigen. Während dem Aufsteigen und in der Höhe beginnt die Luft sich aber bereits wieder abzukühlen, sodass sie an anderer Stelle im Raum wieder absinkt. Diese Luft kann dann erneut als kalte Luft an den Heizkörper nachströmen.

Nach demselben Prinzip wie bei der Luft funktioniert die Konvektion auch in anderen Gasen und in Flüssigkeiten.

Wenn Du mehr über die Konvektion erfahren möchtest, dann wirf einmal einen Blick in die entsprechende Erklärung!

Das in Abbildung 2 dargestellte Beispiel betrachtet einen Heizkörper in einem Raum. Aber es gibt beispielsweise auch Heizkörper im Freien, die auf einer anderen Art der Wärmeübertragung beruhen: der Wärmestrahlung.

Wärmestrahlung

Bei besagten Heizkörpern handelt es sich um Wärmestrahler. Sie nutzen die Wärmestrahlung, um die Wärme zu übertragen und bedienen sich damit einer besonderen Form der Wärmeübertragung.

Wirfst Du einmal einen Blick zurück, so stellst Du folgendes fest: Wärmeleitung funktioniert besonders gut für Feststoffe, insbesondere Metalle. Konvektion funktioniert für Gase und Flüssigkeiten. Damit ergeben sich drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig, allerdings nur zwei Arten der Wärmeübertragung.

Das Besondere an der Wärmestrahlung ist, dass für diese Art der Wärmeübertragung Materie nicht benötigt wird. Es ist damit die einzige Form der Wärmeübertragung, die auch im Vakuum funktioniert.

Bei der Wärmestrahlung wird Wärme in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen. Es ist dafür keine Materie notwendig.

Als Beispiel für elektromagnetische Wellen bei der Wärmestrahlung kannst Du Dir Infrarotstrahlen vorstellen. Grundsätzlich gilt bei der Wärmestrahlung: je kurzwelliger die Strahlung, umso mehr Energie wird übertragen.

Ein Körper erwärmt sich dann, wenn die elektromagnetische Strahlung absorbiert wird. Die absorbierte Strahlungsenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Alternativ kann die Strahlung auch reflektiert oder durchgelassen werden.

Ein alltägliches Beispiel für diese Art der Wärmeübertragung ist die Sonne. Von ihr gelangen elektromagnetische Wellen auf die Erde, wo sie absorbiert werden können und sich für uns in Form von Wärme bemerkbar machen.

Mehr über das Prinzip der Wärmestrahlung kannst Du in der entsprechenden Erklärung nachlesen.

Jede Art der Wärmeübertragung kannst Du im Alltag wiederfinden.

Wärmeübertragung Beispiele

In unserem bisherigen Beispiel hatten wir die Suppe, den Löffel in der Suppe, den Heizkörper und die Sonne. Innerhalb der Arten der Wärmeübertragung funktionieren die Grundprinzipien auch alle gleich, weshalb sich die Beispiele in ihren Erklärungen nicht wesentlich unterscheiden. Dennoch schauen wir uns im Folgenden noch ein paar Beispiele an.

Wärmeübertragung Beispiele: Suppentopf auf Herd

Bleiben wir bei der Wärmeleitung noch einmal bei unserer Suppe. Diese Suppe musste ja gekocht werden und dafür brauchte es einen Topf und einen Herd. Die Wärme, die von der Herdplatte auf den Topf übertragen wird, breitet sich durch Wärmeleitung aus, sodass der gesamte Topf, inklusive der Griffe, am Ende heiß ist.

Die Suppe unten im Topf wird jetzt warm. Die Wärme soll sich aber in der gesamten Suppe ausbreiten.

Wärmeübertragung Beispiele: Suppe im Topf

Die Suppe erhält ihre Wärme vom Boden des Topfes aus. Das heißt, die Flüssigkeit wird unten erhitzt. Wie auch die Luft bei der Heizung, steigt nun die warme Suppe auf. Dabei strömt kalte Suppe nach und es entsteht der typische Kreislauf bei Konvektion, denn die warme Suppe kühlt sich an der Oberfläche wieder ab und sinkt nach unten, von wo wieder warme Suppe nach oben strömt.

Hältst Du Deine Hand vorsichtig in die Nähe des warmen Topfes, kannst Du meistens auch eine Wärme spüren.

Beispiele für Wärmestrahlung

Die ausgestrahlte Wärme Deines Topfes kannst Du vorsichtig wahrnehmen. Wärmestrahlung geht im Alltag aber auch von vielen weiteren Objekten und Körpern aus (Sonne, Freiluftheizung). Auch Dein eigener Körper sendet diese elektromagnetischen Wellen aus. Für gewöhnlich können wir diese aber nicht sehen. Mithilfe einer Wärmebildkamera kannst Du sehen, wie viel Wärme an welchem Ort abgegeben wird. So auch von der Suppe oder vom Suppentopf.

Wärmeübertragung - Das Wichtigste

  • Wärmeübertragung beschreibt die Übertragung von Wärme von unterschiedlichen Wärmesystemen über ihre Systemgrenzen hinweg.
  • Wärmeübertragung findet immer vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Temperatur statt.
  • Die Wärmeübertragung wird über den Wärmestrom bestimmt:

  • Der Wärmestrom durch ein homogenes Medium bei der Wärmeleitung kann bestimmt werden durch:

  • Die Leistungsdichte des Wärmestroms wird mit der Wärmestromdichte beschrieben:

  • Der Wärmeübertragungskoeffizient gibt an, wie groß die Fähigkeit eines, von Flüssigkeit oder Gas umgebenen, Stoffes ist, Wärme an seiner Grenzfläche aufzunehmen bzw. abzugeben. Er kann zur Berechnung des, an einer Grenzfläche übertragenen, Wärmestroms eingesetzt werden:

  • Es werden drei Arten der Wärmeübertragung unterschieden:
    • Wärmeleitung ist Wärmeübertragung innerhalb eines Körpers ohne Stofftransport. Moleküle kollidieren im Körper mit anderen Molekülen und übertragen so in einer Kollisionskette die Energie, wodurch sich der gesamte Körper erwärmt. Je höher die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes, umso besser leitet er die Wärme. Dabei leiten Feststoffe, insbesondere Metalle, die Wärme besser als Flüssigkeiten oder Gase.
    • Konvektion ist eine Form der Wärmeübertragung durch Stofftransport und tritt vor allem beim Wärmetransport von Flüssigkeiten und Gasen auf. Es entstehen Kreisläufe aus Erwärmung und Abkühlung mit warmer und kalter Luft/Flüssigkeit.
    • Wärmestrahlung ist die einzige Form von Wärmetransport, die ohne Materie (also im Vakuum) funktioniert. Elektromagnetische Wellen werden dabei absorbiert und ihre Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Wärmeübertragung

Wärme kann entweder durch Wärmeleitung, Konvektion oder durch Wärmestrahlung übertragen werden. Im Alltag kommen meist mehrer Formen der Wärmeübertragung gemeinsam vor.

Die Temperatur bzw. der Temperaturunterschied ist ein Schlüsselelement für den Wärmetransport. Nur, wenn es einen Temperaturunterschied gibt, findet überhaupt Wärmetransport statt.

Gute und schlechte Wärmeleiter lassen sich anhand ihrer Wärmeleitfähigkeit ausmachen. Je größer diese ist, umso besser leitet der Stoff. Allgemein gilt, dass Feststoffe, insbesondere Metalle, gute Wärmeleiter sind, während Gase und Flüssigkeiten schlechtere Wärmeleiter sind. 

Ja! Wärme kann im Vakuum übertragen werden. Dies ist die Besonderheit der Wärmestrahlung. Bei dieser Art der Wärmeübertragung wird keine Materie benötigt.

Finales Wärmeübertragung Quiz

Frage

Nenne die Voraussetzung, damit Wärmeübertragung stattfinden kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmeübertragung kann nur stattfinden, wenn es zwei Objekte oder Orte mit unterschiedlicher Temperatur gibt.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Richtung, in die Wärme übertragen wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärme wird vom Ort der höheren Temperatur zu dem Ort der geringeren Temperatur übertragen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, worum es sich bei der transportierten Wärme Q handelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der transportierten Wärme Q handelt es sich um eine Prozessgröße, die Auskunft über die Übertragung von thermischer Energie zwischen zwei Orten unterschiedlicher Temperatur gibt. 

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wann die Wärmeübertragung zum Erliegen kommt.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmeübertragung kommt zum Erliegen, wenn es keine Temperaturunterschiede zwischen zwei Objekten bzw. Orten mehr gibt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes aussagt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut und schnell ein Körper Wärme transportieren kann. 

Sie ist abhängig von Material und Temperatur.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was der Wärmeübertragungskoeffizient aussagt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Wärmeübertragungskoeffizient sagt aus, wie groß die Fähigkeit des Stoffes ist, Wärme an seiner Grenzfläche aufzunehmen oder abzugeben. Dabei muss der Stoff von einem Gas oder einer Flüssigkeit umgeben sein.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, was der Wärmeübertragungskoeffizient über die Wärmedämmeigenschaften von Stoffen aussagt.

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Antwort

Je höher der Wärmeübertragungskoeffizient, umso schlechter die Wärmedämmeigenschaften und umgekehrt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei Arten der Wärmeübertragung.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Wärmeleitung
  • Wärmekonvektion
  • Wärmestrahlung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz, was die Wärmeleitung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Wärmeleitung ist eine Art der Wärmeübertragung
  • Ist der Prozess der Wärmeübertragung ohne Stofftransport
  • Festkörper, insbesondere Metalle, eignen sich gut für Wärmeleitung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz, was Konvektion ist.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Konvektion ist eine Art der Wärmeübertragung bei Flüssigkeiten und Gasen
  • Wärme wird durch die Bewegung von Molekülen, also durch Stoffbewegung übertragen

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was die Wärmestrahlung von den anderen beiden Arten der Wärmeübertragung unterscheidet.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmestrahlung benötigt, im Gegensatz zu Wärmeleitung und Konvektion, keine Materie, um Wärme zu übertragen. 
Die Wärme kommt in Form von Strahlungsenergie an und wird von den Objekten, die die Strahlung absorbieren, dann in Wärmeenergie umgewandelt.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wann ein Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern stattfindet.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern findet statt, wenn diese eine unterschiedliche Temperatur haben und in engen Kontakt miteinander gebracht werden.

Frage anzeigen

Frage

Benenne den Moment, indem der Wärmeaustausch zum Erliegen kommt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Wärmeaustausch kommt in dem Moment zum Erliegen, in dem die beiden Körper dieselbe Temperatur haben.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Bedingung, damit die Richmannsche Mischungsregel zur Bestimmung der Mischtemperatur angewendet werden darf.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Richmannsche Mischungsregel zur Bestimmung der Mischtemperatur darf nur angewandt werden, wenn es zu keiner Änderung des Aggregatzustandes einer der beteiligten Körper kommt.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie der Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip funktioniert.

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip werden zwei Stoffe in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeigeführt. Dabei handelt es sich meist um Flüssigkeiten oder Gase. 

Während die Ströme aneinander vorbei geführt werden, wird die Wärme vom wärmeren auf den kälteren Strom übertragen. Durch den kontinuierlichen Strom werden beinahe 100% der Wärme übertragen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Zusammenhang zwischen Wärmeaustausch und Wärmeübertragung.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Wärmeaustausch von einem Körper auf den anderen findet durch Wärmeübertragung statt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei Arten der Wärmeübertragung.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Wärmeleitung
  • Wärmekonvektion
  • Wärmestrahlung

Frage anzeigen

Frage

Begründe, weshalb zur Isolation von Thermosflaschen Vakuum verwendet wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Im Vakuum wird Wärme nicht durch Wärmeleitung, sondern Wärmestrahlung übertragen. Tatsächlich ist Vakuum sogar der schlechteste Wärmeleiter.


Deswegen bestehen die Wände von Thermoskannen aus zwei Schichten, zwischen denen Vakuum eingeschlossen ist. Um Wärmestrahlung zwischen den Wänden zu minimieren, sind diese von der Innenseite zusätzlich verspiegelt oder mit einer Glasschicht überzogen.

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, in welchem Medium Wärmeleitung auftreten kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Festkörper

Frage anzeigen

Frage

Gib an, was durch die Wärmeleitung weitergegeben wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärme

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wie die Wärmeleitung funktioniert.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Wärmeleitung breitet sich Wärme von einem Bereich höherer Temperatur zu Bereichen niedriger Temperatur aus. Die Ausbreitung erfolgt dabei über atomare Schwingungen.

Frage anzeigen

Frage

Der Wärmefluss gibt an, wie viel Wärme innerhalb einer bestimmten Zeit durch einen Festkörper transportiert wird.


Beschreibe, wie der Wärmefluss mit der Temperaturdifferenz \(\Delta T\) im Festkörper, dessen Länge \(l\) und der Querschnittsfläche \(A\) zusammenhängt.

Antwort anzeigen

Antwort

Je höher die Temperaturdifferenz zweier Enden eines Festkörpers ist, desto mehr Wärme wird vom wärmeren zum kälteren Ende übertragen, bis die Temperaturen sich angleichen. Deswegen steigt der Wärmefluss mit zunehmender Temperaturdifferenz.


Je länger der Weg, desto weniger Wärme wird transportiert. Deswegen sinkt der Wärmefluss mit zunehmender Länge des Festkörpers.


Je größer die Fläche, durch die Wärme fließen kann, desto mehr Wärme wird auf einmal transportiert. Deswegen steigt der Wärmefluss mit zunehmender Querschnittsfläche.

Frage anzeigen

Frage

Erläutere, weshalb Metalle eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen als andere Stoffe.

Antwort anzeigen

Antwort

In Metallen kann die Wärmeleitung nicht nur durch atomare Schwingungen, sondern auch durch die Bewegung der freien Elektronen transportiert werden.

Frage anzeigen

Frage

Beim Familiengrillen wirst Du zum Grillmeister auserwählt. Dabei hast Du zwei Optionen, die Du verwenden kannst:

Alu-Grillschale oder Salzstein

Dabei möchtest Du die Option wählen, wo das Grillgut mehr Hitze abbekommt und somit schneller durch wird. Begründe Deine Wahl.

Antwort anzeigen

Antwort

Im Allgemeinen haben Salze eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalle.


Aluminium weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und leitet somit mehr Wärme auf das Grillgut, als der Salzstein.

Frage anzeigen

Frage

Gib drei Metalle an, die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Silber
  • Kupfer
  • Gold

Frage anzeigen

Frage

Du weißt, dass Silber ein sehr guter elektrischer Leiter ist, gefolgt von Kupfer, Gold und Aluminium.


Beschreibe, welche Schlüsse Du daraus für die entsprechenden Wärmeleitfähigkeiten ziehen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Nach dem Wiedemann-Franzschen Gesetz ist die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls proportional zu seiner elektrischen Leitfähigkeit. Demnach lassen sich die genannten Metalle in derselben Reihenfolge nach der Wärmeleitfähigkeit sortieren:


Silber hat die höchste Wärmeleitfähigkeit, gefolgt von Kupfer, Gold und Aluminium.

Frage anzeigen

Frage

Gib die Definition für Wärmekonvektion an.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Wärmekonvektion wird Wärme durch Strömungen übertragen.

Frage anzeigen

Frage

Vervollständige die folgende Aussage:


Konvektion bedeutet: ...

Antwort anzeigen

Antwort

... Transport von Teilchen durch die Strömung eines Fluids.

Frage anzeigen

Frage

Nenne mindestens zwei Ursachen für erzwungene Konvektion.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Ventilator
  • Pumpe
  • Lüfter

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Frage

Gib Beispiele an, wo freie Konvektion auftreten kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Raumluft beim Heizen

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Frage

Erkläre die Ursache der Konvektion.

Antwort anzeigen

Antwort

Konvektion wird durch Dichteunterschiede verursacht, denn dichtere Fluide sinken zu Boden, während weniger dichte Fluide hochsteigen. 

Frage anzeigen

Frage

Gib mindestens zwei Ursachen für Dichteunterschiede an.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Temperaturdifferenz
  • bei zwei unterschiedlichen Fluiden: ihre Stoffzusammensetzung

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Art von Konvektion, die in einem Latte Macchiato auftritt.

Antwort anzeigen

Antwort

Doppelt diffuse Konvektion

Frage anzeigen

Frage

Erläutere die Begriffe „diffuse“ und „doppelt diffuseKonvektion.

Antwort anzeigen

Antwort

Diffuse Konvektion: Bei der Konvektion wird Wärme diffus, in alle Raumrichtungen verteilt.


Doppelt diffuse Konvektion: Entsteht, wenn zwei Dichteunterschiede bestehen – zum Beispiel durch eine Temperaturdifferenz und bei zwei unterschiedlichen Stoffen.

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, in welche Richtung ein warmes Fluid aufsteigt.

Antwort anzeigen

Antwort

Nach oben

Frage anzeigen

Frage

Der feste Erdkern hat eine Temperatur von etwa \(6000\;^\circ C\). Nach außen hin nimmt diese Temperatur ab und das Gestein wird flüssig.


Erkläre basierend auf dieser Information die Plattenbewegung der Erde.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Plattenbewegung der Erde wird durch Konvektion unterhalb der Erdkruste verursacht. Das heiße Gestein steigt durch Konvektion auf und wird auf dem Weg zur Erdkruste abgekühlt.


Das abkühlende Gestein bewegt sich entlang der Erdkruste wieder nach unten, da es von unten durch erneut aufkommendes, heißes Gestein verdrängt wird. Dabei werden die tektonischen Platten mitgezogen.

Frage anzeigen

Frage

Gib das Medium an, in dem sich Wärmestrahlung ausbreitet.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmestrahlung braucht kein Medium, um sich auszubreiten.

Frage anzeigen

Frage

Nenne einige Objekte, die Wärmestrahlung aussenden.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Sonne
  • Glühlampe
  • heiße Kohlen
  • Herdplatte

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Bedeutung der Wärmestrahlung.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmestrahlung wird auch Infrarotstrahlung genannt. So bezeichnest Du elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich.

Frage anzeigen

Frage

Sichtbares Licht nimmst Du mit dem Auge wahr. Nenne das Organ, mit dem Du Wärmestrahlung wahrnimmst.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmestrahlung spürst Du mit der Haut. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre den Treibhauseffekt.

Antwort anzeigen

Antwort

Trifft Wärmestrahlung auf die Erde, so wird sie von der Erdoberfläche und jedem Objekt auf der Erde aufgenommen. Diese werden dadurch erwärmt und die Gesamttemperatur der Erdoberfläche steigt.


Dabei kann die Erdoberfläche wiederum Wärme in Form von Strahlung abgeben, die dann teilweise von den Treibhausgasen aufgenommen und anschließend wieder abgegeben wird. Die zurückgeworfene Strahlung kann dann erneut von der Erdoberfläche aufgenommen werden und diese zusätzlich erwärmen. 


Frage anzeigen

Frage

Gib die beiden Gesetze an, mit denen Du den Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärmestrahlung beschreiben kannst.

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Antwort

Wiensches Verschiebungsgesetz und Stefan-Boltzmann-Gesetz

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Frage

Wenn Du lange genug am Lagerfeuer sitzt, bleibt nur noch die Glut übrig. Diese glüht zunächst gelblich-orange, dann orange und schließlich geht das Leuchten von rot bis ins Rot-bräunliche über. Interpretiere diesen Farbverlauf.

Antwort anzeigen

Antwort

Je niedriger die Temperatur ist, desto mehr verschiebt sich die abgegebene Strahlung zu längeren Wellenlängen - also ins Rötliche. (Wiensches Verschiebungsgesetz)


Gleichzeitig nimmt die abgegebene Strahlungsleistung stark ab (Stefan-Boltzmann-Gesetz).


Beim Abkühlen leuchtet die Glut also einerseits immer rötlicher und andererseits immer schwächer, bis sie anschließend erlischt.

Frage anzeigen

Frage

Sobald die Glut erlischt, nehmen wir mit den Augen kein Leuchten mehr wahr. Allerdings kannst Du die von ihr abgegebene Wärmestrahlung immer noch spüren.


Erläutere, wie das möglich ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Wärmestrahlung entspricht IR-Strahlung, die sich jenseits des sichtbaren Bereichs befindet. Wir sehen sie also eigentlich gar nicht.


Dass wir meistens jedoch gleichzeitig auch ein Glühen beobachten können, liegt daran, dass nicht nur IR-Strahlung, sondern auch sichtbares Licht abgegeben.


Kühlt die Glut nun genug ab, so wird insgesamt weniger Strahlung abgegeben. Irgendwann ist das sichtbare Licht nicht mehr genug, um von unseren Augen wahrgenommen zu werden.


Da die maximale Leistung jedoch im unsichtbaren Infrarot-Bereich abgegeben wird, kannst Du die Wärmestrahlung spüren.

Frage anzeigen

Frage

Belege mit einem physikalischen Gesetz, dass eine Verdopplung der Temperatur zu einem 16-fachen Anstieg der abgegebenen Strahlungsleistung führt.

Antwort anzeigen

Antwort

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die Strahlungsleistung \(P\) proportional zur vierten Potenz der Temperatur \(T\):

$$P\sim T^4$$

Verdoppelst Du die Temperatur, so folgt daraus für die neue Strahlungsleistung \(P'\):

$$P'\sim(2\cdot T)^4= 2^4 \cdot T^4=16 \cdot T^4 = 16\cdot P$$

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Nenne die Form der Wärmeübertragung, die kein Ausbreitungsmedium benötigt.

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Antwort

Wärmestrahlung

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