Wir unterscheiden drei Arten der Wärmeübertragung:
Wärmeleitung
Wärmeströmung (Konvektion)
Wärmestrahlung
Im Folgenden beschränken wir uns jedoch auf die Wärmeleitung. Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist an feste Materie gebunden.
Grundlegendes über die Wärme
Alle stoffliche Substanz besteht aus Atomen oder Molekülen. Dies gilt für alle 3 Aggregatzustände, für fest, flüssig oder gasförmig. Bei Festkörpern sind die Atome oder Moleküle in einer engen Gitterstruktur geordnet und haben nur geringe Bewegungsmöglichkeiten. Es findet jedoch immer eine, wenn auch nur geringe, Bewegung dieser Stoffbausteine statt, deren Intensität stark temperaturabhängig ist. Nur am absoluten Nullpunkt, bei 0° K (Kelvin) oder -273,15 °C (Celsius) kommt diese Bewegung bei allen Körpern zum Stillstand. Dies gilt auch für die Stoffe, welche bei Raumtemperatur flüssig oder gasförmig sind.
Am absoluten Nullpunkt, bei -273,15 °C, werden alle Stoffe zu Festkörpern, ohne jegliche Bewegung ihrer Atome oder Moleküle.
Modellvorstellung der Wärmeleitung
Je höher die Temperatur ist, umso schneller bewegen sich auch die Teilchen. Bei Energiezufuhr in Form von Wärme bewegen sich die Atome oder Moleküle jedes Festkörpers schneller. Damit werden auch die Amplituden dieser Schwingungen größer. Die Teilchen stoßen mit ihren Nachbarmolekülen zusammen und veranlassen diese damit ebenfalls zu heftigeren Schwingungen mit größer werdenden Amplituden. Die Nachbarmoleküle geben wiederum ihre aufgenommene Energie weiter an ihre Nachbarteilchen. Auf diese Weise findet ein Energietransport in Form von Wärmeleitung statt.
Wichtige Kenngrößen der Wärmeleitung
Die wichtigsten Kenngrößen bei der Auslegung und Berechnung von Wärmeleitern sind:
Die Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda) angegeben in W/m*K
Die Querschnittsfläche A angegeben in m2
Die Temperaturdifferez ∆T angegeben in K (Kelvin )
Die Länge L des Leiters angegeben in m
Der Wärmestrom Q in W (Watt)
Physikalisch stehen diese Größen in folgender Beziehung:
Q = 1/L * A * λ * ∆T (Q in W)
Wärmeleitfähigkeit λ
Die Wärmeleitfähigkeit λ ist eine wichtige Stoffeigenschaft von Festkörpern. Sie gibt den Wärmestrom in Watt an, die ein Körper bei einer Temeraturdifferenz von 1 K auf 1 m Länge transportieren kann. Diese λ-Werte sind in Tabellen für die verschiedenen Stoffe festgelegt:
Stoff λ (W/m*K)
Aluminium 220
Kupfer 384
Silber 407
Stahl 45
Diamant 2300
Glas 0,75 – 1,0
Titan 22
Luft 0,024
Transportfähigkeit der Wärme verschiedener Stoffe im Vergleich zu Luft
Luft 1
Mineralwolle 1,5
Styropor 1,8
Kork, Federn 2
Papier 5
Holz (je nach Art) 6-12
Wasser 10
Isolierverglasung 35
Ziegel 35
Stein 40
Glas 50
Stahlbeton 760
Stahl 1.800
Aluminium 8.600
Kupfer 16.600
Silber 18.000
Fazit
Je höher der λ-Wert eines Stoffes desto besser ist dessen Wärmeleitfähigkeit. Stoffe mit hohem λ-Wert sind gute Wärmeleiter. Umgekehrt ist ein niedriger λ-Wert eines Stoffes ein Kennzeichen für dessen schlechte Wärmeleitfähigkeit. Daher haben Isolationsstoffe immer einen möglichst niedrigen λ-Wert.
Mein Name ist Anatoli Bauer und ich wohne im Norden an der Nordseeküste in Husum. Ich beschäftige mich leidenschaftlich gerne mit den Naturwissenschaften und interessiere mich vor allem für Physik und alles, was mit dem Weltraum und entfernten Planten zu tun hat.
