Wärmeübertragung: Physikalisches Prinzip, Übertragung und Berechnung

Als Wärmeübertragung definiert die Physik den Energietransport, der infolge eines Temperaturunterschieds eintritt. wobei mindestens eine sogenannte thermodynamische Systemgrenze überschritten wird. Die dabei übertragene Energie ist Wärme, eine sogenannte Prozessgröße also, wie es sie nur bei Zustandsänderungen gibt und die in der Folge wegabhängig ist. Man unterscheidet die Art der Wärmeübertragung in Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.

Wir erklären Ihnen im Folgenden zunächst das Grundprinzip der Wärmeübertragung, bevor es um die drei Wege zur Wärmeübertragung geht.

Die Wärmeübertragung ist ein physikalischer Vorgang (Prozess), bei dem thermische Energie, also Wärme, übertragen wird, weil es einen Temperaturunterschied gibt. Dabei passiert die Wärme mindestens eine thermodynamische Systemgrenze.

Die Wärme (Zeichen: Q) selbst ist eine physikalische Größe: eine sogenannte Vorgangsgröße (Prozessgröße) - in Abgrenzung zu sogenannten Zustandsgrößen. Als solche tritt sie ausschließlich bei Zustandsänderungen auf und ist nachfolgend abhängig vom dem Weg, den die Wärmeübertragung nimmt. Eine Zustandsänderung tritt in einem thermodynamischen System ein, wenn dort Energie zu- oder abgeführt wird. Der Wärmestrom ist eine physikalische Größe der Wärmeübertragung.

Die Physik definiert die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines festen Körpers und einer Flüssigkeit (Fluid) als Wärmeübergang, der sich mit dem Wärmeübergangskoeffizienten beschreiben lässt. Außerdem gibt es den Begriff Wärmedurchgang, der für die Wärmeleitung durch eine Wand mit entsprechenden Wärmeübergängen an der Oberfläche steht.

Körper mit einer höheren Temperatur sind fähig, thermische Energie (Wärme) auf Körper mit niedrigerer Temperatur zu übertragen. Wird dem ursprünglich wärmeren Körper anderweitig keine Energie zugeführt, kühlt er sich dabei ab. Das heißt, seine thermische Energie nimmt ab. Der Körper mit der zuvor niederen Temperatur hingegen erwärmt sich, wenn er die Energie nicht seinerseits wieder abgibt. Das heißt, seine thermische Energie nimmt zu. Anders ausgedrückt: Die Wärmeübertragung läuft stets in Richtung der Orte mit tieferen Temperaturen, also von warm zu kalt.

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Die Wärmeleitung wird auch Konduktion genannt. Dabei wird kinetische Energie, also Bewegungsenergie, zwischen benachbarten Teilchen (Atome oder Moleküle) übertragen, ohne dass Material mitübertragen wird. Die Wärmeleitung ist eine irreversible Wärmeübertragung vom höheren zum niedrigeren Energieniveau (Temperatur).

Beispiele für die Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung sind:

• Eine Herdplatte erhitzt in Betrieb einen auf ihr stehenden Topf.
• Ein kalter Teelöffel, mit dem der heiße Tee umgerührt wird, wird nicht nur vorne an der Laffe (Löffelschale oder Löffelkelle warm), sondern bis zum Stielende hoch.
• Kühlschränke werden gegen unerwünschte Wärmeleitung mit Dämmstoffen gedämmt.
• Heizkörper aus Metall transportieren die Wärme des heißen Heizwassers an zur Raumluft.

Die Wärmeströmung wird auch Konvektion genannt. Eine Wärmeübertragung findet dabei statt, weil eine strömende Flüssigkeit thermische Energie als

• innere Energie U (thermodynamisches Potential des Systems) oder als sogenannte
• Enthalpie H (Summe der inneren Energie U des Systems plus dem Produkt aus Druck p und Volumen V des Systems)

mit sich führt. Wärmeströmung tritt stets auf, wenn eine strömende Flüssigkeit Wärme von einer Oberfläche aufnimmt oder an diese abgibt.

Beispiele für die Wärmeübertragung mittels Wärmeströmung sind:

• Heizkessel, die ihre Wärme über ihren metallenen Korpus an daran vorbeilaufendes Heizwasser abgeben. Wobei in der sehr dünnen Grenzschicht der Flüssigkeit direkt am Metall die Wärmeübertragung vor allem mittels Wärmeleitung (siehe oben) erfolgt, während, sich die Wärme in der vorbeilaufenden Flüssigkeit mittels Wärmeströmung verteilt. Die in das Heizwasser übertragbare Wärmemenge beeinflussen Größen wie die Turbulenz der Strömung, die wiederum von der Geometrie der Oberfläche und der Geschwindigkeit der Strömung abhängt.

• Bei Betrieb eines Haarföhns überträgt die Luft Wärme. Die Wärmeströmung zum nassen Haar ist erzwungen vom Lüfter im Föhn (Massentransport), die Rückführung der erkaltenden Luftströmung zum Haarföhn hingegen geschieht via die Wärmeströmung im Zimmer.

Bei der Wärmestrahlung erfolgt, übrigens gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz über die thermisch abgestrahlte Leistung eines idealen sogenannten Schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Temperatur, die Wärmeübertragung mit elektromagnetischen Wellen, deren Teil sie ist: vor allem mit Wellen aus dem infraroten Spektrum – Infrarot-Welle (kurz: IR-Wellen). Wärmestrahlung ist, und auch das ist bemerkenswert, die einzige Wärmeübertragung, die fähig ist, ein Vakuum zu durchdringen.

Beispiele für die Wärmeübertragung mittels Wärmestrahlung sind:

• Wärmestrahlung der Sonne
• Wärmestrahlung eines Lagerfeuers
• Wärmestrahlung einer Infrarotlampe
• Verspiegeln des Innenraums von Thermoskannen mindert Energieverlust infolge Wärmestrahlung.

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Der sogenannte Wärmeübergangskoeffizient gibt Auskunft zur Fähigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen beziehungsweise an sie abzugeben. Er ist abhängig von 

• der spezifischen Wärmekapazität,
• der Dichte und
• dem Wärmeleitkoeffizienten

(wird meist über den Temperaturunterschied der beteiligten Medien berechnet) des wärmeabführenden sowie des wärmeliefernden Mediums.

Der Wärmeübergangskoeffizient ist, anders als die Wärmeleitfähigkeit, keine materialspezifische Konstante, sondern – im Falle einer Umgebung – Großteils abhängig von

• der Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise der Strömungsart (mehr oder weniger turbolent),
• den geometrischen Verhältnissen und
• der Oberflächenbeschaffenheit.

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