Wärmeübertragung

Simulation der thermischen Konvektion im Erdmantel. Die Farben reichen von rot und grün bis blau mit abnehmender Temperatur. Eine heiße, weniger dichte untere Grenzschicht schickt Fahnen mit heißem Material nach oben, während sich kaltes Material von oben nach unten bewegt. ⓘ

Die Wärmeübertragung ist eine Disziplin der Wärmetechnik, die sich mit der Erzeugung, Nutzung, Umwandlung und dem Austausch von Wärmeenergie (Wärme) zwischen physikalischen Systemen befasst. Die Wärmeübertragung wird in verschiedene Mechanismen unterteilt, wie Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung und Energieübertragung durch Phasenwechsel. Ingenieure betrachten auch die Übertragung von Masse unterschiedlicher chemischer Spezies (Massenübertragung in Form von Advektion), entweder kalt oder heiß, um Wärmeübertragung zu erreichen. Obwohl diese Mechanismen unterschiedliche Merkmale aufweisen, treten sie oft gleichzeitig in ein und demselben System auf. ⓘ

Wärmeleitung, auch Diffusion genannt, ist der direkte mikroskopische Austausch kinetischer Energie von Teilchen (z. B. Molekülen) oder Quasiteilchen (z. B. Gitterwellen) an der Grenze zwischen zwei Systemen. Wenn ein Objekt eine andere Temperatur hat als ein anderer Körper oder seine Umgebung, fließt Wärme, so dass der Körper und die Umgebung dieselbe Temperatur erreichen und sich dann im thermischen Gleichgewicht befinden. Eine solche spontane Wärmeübertragung findet immer von einem Bereich mit hoher Temperatur zu einem anderen Bereich mit niedrigerer Temperatur statt, wie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. ⓘ

Wärmekonvektion tritt auf, wenn der Volumenstrom eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) seine Wärme durch das Fluid transportiert. Bei allen Konvektionsprozessen wird Wärme teilweise auch durch Diffusion transportiert. Die Flüssigkeitsströmung kann durch äußere Prozesse oder manchmal (in Gravitationsfeldern) durch Auftriebskräfte erzwungen werden, die entstehen, wenn sich die Wärmeenergie in der Flüssigkeit ausdehnt (z. B. in einer Feuerwolke) und so die eigene Übertragung beeinflusst. Der letztere Prozess wird oft als "natürliche Konvektion" bezeichnet. Der erste Prozess wird oft als "erzwungene Konvektion" bezeichnet. In diesem Fall wird die Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe, eines Ventilators oder anderer mechanischer Mittel zum Fließen gebracht. ⓘ

Wärmestrahlung erfolgt durch ein Vakuum oder ein beliebiges transparentes Medium (fest, flüssig oder gasförmig). Es handelt sich um die Übertragung von Energie mittels Photonen oder elektromagnetischer Wellen, die den gleichen Gesetzen unterliegen. ⓘ

Die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einem Fluid bezeichnet man als Wärmeübergang. Der Wärmeübergang wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben. ⓘ

Von Wärmedurchgang von einem Fluid durch eine Wand auf ein anderes Fluid wird gesprochen, wenn die Wärmeleitung durch die Wand zusammen mit den Wärmeübergängen an den beiden Oberflächen betrachtet wird. ⓘ

Eine physikalische Größe der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom. ⓘ

Technische Vorrichtungen zur Übertragung von Wärme heißen Wärmeübertrager. Die in der Umgangssprache verbreitete Bezeichnung Wärmetauscher ist irreführend da Wärme stets in eine Richtung von A nach B übertragen und nicht getauscht wird. ⓘ

Überblick

Intensität der langwelligen Wärmestrahlung der Erde, von Wolken, Atmosphäre und Oberfläche. ⓘ

Wärme wird in der Physik definiert als die Übertragung von Wärmeenergie über eine genau definierte Grenze um ein thermodynamisches System. Die thermodynamische freie Energie ist die Arbeit, die ein thermodynamisches System verrichten kann. Die Enthalpie ist ein thermodynamisches Potenzial, das mit dem Buchstaben "H" bezeichnet wird und sich aus der Summe der inneren Energie des Systems (U) plus dem Produkt aus Druck (P) und Volumen (V) ergibt. Joule ist eine Einheit zur Quantifizierung von Energie, Arbeit oder der Wärmemenge. ⓘ

Die Wärmeübertragung ist eine Prozessfunktion (oder Pfadfunktion), im Gegensatz zu Zustandsfunktionen; daher hängt die in einem thermodynamischen Prozess übertragene Wärmemenge, die den Zustand eines Systems verändert, davon ab, wie dieser Prozess abläuft, und nicht nur von der Nettodifferenz zwischen dem Anfangs- und Endzustand des Prozesses. ⓘ

Die thermodynamische und mechanische Wärmeübertragung wird mit dem Wärmeübergangskoeffizienten berechnet, der die Proportionalität zwischen dem Wärmestrom und der thermodynamischen Antriebskraft für den Wärmestrom angibt. Der Wärmestrom ist eine quantitative, vektorielle Darstellung des Wärmestroms durch eine Oberfläche. ⓘ

In technischen Zusammenhängen wird der Begriff Wärme als Synonym für thermische Energie verwendet. Diese Verwendung hat ihren Ursprung in der historischen Interpretation von Wärme als Flüssigkeit (Kalorik), die durch verschiedene Ursachen übertragen werden kann, und die auch in der Sprache von Laien und im täglichen Leben üblich ist. ⓘ

Die Transportgleichungen für die thermische Energie (Fouriersches Gesetz), den mechanischen Impuls (Newtonsches Gesetz für Flüssigkeiten) und den Stofftransport (Ficksches Diffusionsgesetz) sind ähnlich, und es wurden Analogien zwischen diesen drei Transportprozessen entwickelt, um die Vorhersage der Umwandlung von einem in den anderen zu erleichtern. ⓘ

Die Wärmetechnik befasst sich mit der Erzeugung, Nutzung, Umwandlung, Speicherung und dem Austausch von Wärmeübertragung. Daher ist die Wärmeübertragung in fast allen Wirtschaftszweigen von Bedeutung. Die Wärmeübertragung wird in verschiedene Mechanismen unterteilt, wie Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung und Energieübertragung durch Phasenwechsel. ⓘ

Mechanismen

Die vier grundlegenden Arten der Wärmeübertragung am Beispiel eines Lagerfeuers ⓘ

Die grundlegenden Arten der Wärmeübertragung sind:

Advektion

Die Advektion ist der Transportmechanismus eines Fluids von einem Ort zum anderen und hängt von der Bewegung und dem Impuls des Fluids ab.

Konduktion oder Diffusion

Die Übertragung von Energie zwischen Objekten, die sich in physischem Kontakt befinden. Die Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, Wärme zu leiten, und wird in erster Linie anhand des Fourier'schen Gesetzes für Wärmeleitung bewertet.

Konvektion

Die Übertragung von Energie zwischen einem Objekt und seiner Umgebung aufgrund von Flüssigkeitsbewegungen. Die Durchschnittstemperatur ist eine Referenz für die Bewertung von Eigenschaften im Zusammenhang mit der konvektiven Wärmeübertragung.

Strahlung

Die Übertragung von Energie durch die Emission von elektromagnetischer Strahlung. ⓘ

Advektion

Bei der Übertragung von Materie wird Energie - einschließlich Wärmeenergie - durch die physikalische Übertragung eines heißen oder kalten Objekts von einem Ort zum anderen bewegt. Das kann so einfach sein wie das Einfüllen von heißem Wasser in eine Flasche und das Aufheizen eines Bettes oder die Bewegung eines Eisbergs bei wechselnden Meeresströmungen. Ein praktisches Beispiel ist die Thermohydraulik. Sie kann durch die folgende Formel beschrieben werden:

$$\phi _{q}=v\rho c_{p}\Delta T$$

wobei

• $\phi _{q}$ Wärmestrom (W/m²) ist,
• $\rho$ Dichte (kg/m³),
• $c_{p}$ Wärmekapazität bei konstantem Druck (J/kg-K),
• $\Delta T$ die Temperaturdifferenz (K) ist,
• $v$ die Geschwindigkeit (m/s) ist. ⓘ

Konduktion

Auf mikroskopischer Ebene findet Wärmeleitung statt, wenn heiße, sich schnell bewegende oder vibrierende Atome und Moleküle mit benachbarten Atomen und Molekülen in Wechselwirkung treten und einen Teil ihrer Energie (Wärme) auf diese benachbarten Teilchen übertragen. Mit anderen Worten: Wärme wird durch Wärmeleitung übertragen, wenn benachbarte Atome gegeneinander schwingen oder wenn sich Elektronen von einem Atom zum anderen bewegen. Die Wärmeleitung ist die wichtigste Art der Wärmeübertragung innerhalb eines Festkörpers oder zwischen festen Objekten, die in Wärmekontakt stehen. Flüssigkeiten - vor allem Gase - sind weniger leitfähig. Die Wärmekontaktleitung ist die Untersuchung der Wärmeleitung zwischen festen Körpern in Kontakt. Der Prozess der Wärmeübertragung von einem Ort zum anderen ohne die Bewegung von Teilchen wird als Wärmeleitung bezeichnet, z. B. wenn eine Hand auf ein kaltes Wasserglas gelegt wird - die Wärme wird von der warmen Haut zum kalten Glas geleitet, aber wenn die Hand ein paar Zentimeter vom Glas entfernt gehalten wird, findet kaum Wärmeleitung statt, da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Die stationäre Wärmeleitung ist ein idealisiertes Modell der Wärmeleitung, bei dem der Temperaturunterschied, der die Wärmeleitung antreibt, konstant ist, so dass sich die räumliche Verteilung der Temperaturen in dem leitenden Objekt nach einer gewissen Zeit nicht mehr ändert (siehe Fouriersches Gesetz). Bei der stationären Wärmeleitung ist die Wärmemenge, die in einen Abschnitt eintritt, gleich der Wärmemenge, die aus ihm austritt, da die Temperaturänderung (ein Maß für die Wärmeenergie) gleich Null ist. Ein Beispiel für stationäre Wärmeleitung ist der Wärmestrom durch die Wände eines warmen Hauses an einem kalten Tag - im Inneren des Hauses herrscht eine hohe Temperatur, während die Außentemperatur niedrig bleibt, so dass die Wärmeübertragung pro Zeiteinheit nahezu konstant bleibt, was durch die Isolierung der Wände bestimmt wird, und die räumliche Verteilung der Temperatur in den Wänden über die Zeit annähernd konstant ist. ⓘ

Die instationäre Wärmeleitung (siehe Wärmegleichung) tritt auf, wenn sich die Temperatur innerhalb eines Objekts in Abhängigkeit von der Zeit ändert. Die Analyse instationärer Systeme ist komplexer, und analytische Lösungen der Wärmegleichung sind nur für idealisierte Modellsysteme gültig. Praktische Anwendungen werden im Allgemeinen mit numerischen Methoden, Annäherungstechniken oder empirischen Studien untersucht. ⓘ

Konvektion

Die Strömung eines Fluids kann durch äußere Prozesse oder manchmal (in Gravitationsfeldern) durch Auftriebskräfte erzwungen werden, die entstehen, wenn sich die thermische Energie des Fluids ausdehnt (z. B. in einer Feuerwolke) und so die eigene Übertragung beeinflusst. Der letztgenannte Prozess wird oft als "natürliche Konvektion" bezeichnet. Bei allen konvektiven Prozessen wird Wärme teilweise auch durch Diffusion transportiert. Eine andere Form der Konvektion ist die erzwungene Konvektion. In diesem Fall wird die Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe, eines Ventilators oder anderer mechanischer Mittel zum Fließen gezwungen. ⓘ

Konvektive Wärmeübertragung, oder einfach Konvektion, ist die Übertragung von Wärme von einem Ort zum anderen durch die Bewegung von Flüssigkeiten, ein Prozess, der im Wesentlichen die Übertragung von Wärme durch Massenübertragung ist. Die Massenbewegung eines Fluids verbessert die Wärmeübertragung in vielen physikalischen Situationen, wie z. B. zwischen einer festen Oberfläche und dem Fluid. Konvektion ist normalerweise die vorherrschende Form der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen. Obwohl die Konvektion manchmal als dritte Methode der Wärmeübertragung diskutiert wird, wird sie in der Regel verwendet, um die kombinierten Effekte der Wärmeleitung innerhalb des Fluids (Diffusion) und der Wärmeübertragung durch die Strömung des Fluids zu beschreiben. Der Prozess des Transports durch Flüssigkeitsströmung ist als Advektion bekannt, aber reine Advektion ist ein Begriff, der im Allgemeinen nur mit dem Massentransport in Flüssigkeiten in Verbindung gebracht wird, wie z. B. die Advektion von Kieselsteinen in einem Fluss. Bei der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten, bei der der Transport durch Advektion in einer Flüssigkeit immer auch von einem Transport durch Wärmediffusion (auch Wärmeleitung genannt) begleitet wird, versteht man unter dem Prozess der Wärmekonvektion die Summe des Wärmetransports durch Advektion und Diffusion/Konduktion. ⓘ

Freie oder natürliche Konvektion tritt auf, wenn Flüssigkeitsbewegungen (Ströme und Strömungen) durch Auftriebskräfte verursacht werden, die sich aus Dichteänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit ergeben. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Ströme und Strömungen in der Flüssigkeit durch externe Mittel - wie Ventilatoren, Rührwerke und Pumpen - künstlich erzeugt werden. ⓘ

Konvektionskühlung

Die Konvektionskühlung wird manchmal auch als Newtonsches Kühlgesetz bezeichnet:

Der Wärmeverlust eines Körpers ist proportional zum Temperaturunterschied zwischen dem Körper und seiner Umgebung.

Definitionsgemäß setzt die Gültigkeit des Newtonschen Kühlungsgesetzes jedoch voraus, dass die Rate des Wärmeverlusts durch Konvektion eine lineare Funktion ("proportional") der Temperaturdifferenz ist, die die Wärmeübertragung antreibt, was bei der konvektiven Kühlung nicht immer der Fall ist. Im Allgemeinen ist die Konvektion nicht linear vom Temperaturgefälle abhängig, und in einigen Fällen ist sie sogar stark nichtlinear. In diesen Fällen ist das Newtonsche Gesetz nicht anwendbar. ⓘ

Konvektion vs. Konduktion

In einem Flüssigkeitskörper, der von unten beheizt wird, konkurrieren Konduktion und Konvektion um die Vorherrschaft. Wenn die Wärmeleitung zu groß ist, wird eine Flüssigkeit, die sich durch Konvektion nach unten bewegt, durch Leitung so schnell erwärmt, dass ihre Abwärtsbewegung aufgrund ihres Auftriebs gestoppt wird, während eine Flüssigkeit, die sich durch Konvektion nach oben bewegt, durch Leitung so schnell abgekühlt wird, dass ihr treibender Auftrieb nachlässt. Ist die Wärmeleitung hingegen sehr gering, kann sich ein großes Temperaturgefälle bilden, und die Konvektion kann sehr stark sein. ⓘ

Die Rayleigh-Zahl ($\mathrm {Ra}$) ist das Produkt aus der Grashof-Zahl ($\mathrm {Gr}$) und Prandtl ($\mathrm {Pr}$) Zahl. Sie ist ein Maß für die relative Stärke von Wärmeleitung und Konvektion. ⓘ

$$\mathrm {Ra} =\mathrm {Gr} \cdot \mathrm {Pr} ={\frac {g\Delta \rho L^{3}}{\mu \alpha }}={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu \alpha }}$$

wobei

• g ist die Beschleunigung durch die Schwerkraft,
• ρ ist die Dichte, wobei $\Delta \rho$ die Dichtedifferenz zwischen dem unteren und dem oberen Ende ist,
• μ ist die dynamische Viskosität,
• α ist die Temperaturleitfähigkeit,
• β ist die Wärmeausdehnung des Volumens (an anderer Stelle manchmal mit α bezeichnet),
• T ist die Temperatur,
• ν ist die kinematische Viskosität, und
• L ist die charakteristische Länge. ⓘ

Die Rayleigh-Zahl kann als das Verhältnis zwischen der Wärmeübertragungsrate durch Konvektion und der Wärmeübertragungsrate durch Leitung verstanden werden; oder, äquivalent, als das Verhältnis zwischen den entsprechenden Zeitskalen (d. h. Leitungszeitskala geteilt durch Konvektionszeitskala), bis zu einem numerischen Faktor. Dies lässt sich wie folgt darstellen, wobei alle Berechnungen bis zu numerischen Faktoren von der Geometrie des Systems abhängen. ⓘ

Die Auftriebskraft, die die Konvektion antreibt, beträgt ungefähr $g\Delta \rho L^{3}$, so dass der entsprechende Druck ungefähr $g\Delta \rho L$. Im stationären Zustand wird dies durch die Schubspannung aufgrund der Viskosität aufgehoben und ist daher ungefähr gleich $\mu V/L=\mu /T_{\text{conv}}$wobei V die typische Flüssigkeitsgeschwindigkeit aufgrund von Konvektion ist und $T_{\text{conv}}$ die Größenordnung ihrer Zeitskala. Die Zeitskala für die Konduktion liegt dagegen in der Größenordnung von $T_{\text{cond}}=L^{2}/\alpha$. ⓘ

Konvektion tritt auf, wenn die Rayleigh-Zahl über 1.000-2.000 liegt. ⓘ

Strahlung

Rotglühender Eisengegenstand, der durch Wärmestrahlung Wärme an die Umgebung abgibt ⓘ

Strahlungswärmeübertragung ist die Übertragung von Energie durch Wärmestrahlung, d. h. durch elektromagnetische Wellen. Sie findet im Vakuum oder in jedem transparenten Medium (fest, flüssig oder gasförmig) statt. Wärmestrahlung wird von allen Objekten bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts abgegeben, was auf zufällige Bewegungen der Atome und Moleküle in der Materie zurückzuführen ist. Da diese Atome und Moleküle aus geladenen Teilchen (Protonen und Elektronen) bestehen, führt ihre Bewegung zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, die Energie abgibt. Strahlung ist in der Regel nur bei sehr heißen Objekten oder bei Objekten mit einem großen Temperaturunterschied in technischen Anwendungen von Bedeutung. ⓘ

Wenn die Objekte und die sie trennenden Abstände groß und im Vergleich zur Wellenlänge der Wärmestrahlung groß sind, wird die Übertragungsrate der Strahlungsenergie am besten durch die Stefan-Boltzmann-Gleichung beschrieben. Für ein Objekt im Vakuum lautet die Gleichung:

$$\phi _{q}=\epsilon \sigma T^{4}.$$

ⓘ

Für die Strahlungsübertragung zwischen zwei Objekten lautet die Gleichung wie folgt:

$$\phi _{q}=\epsilon \sigma F(T_{a}^{4}-T_{b}^{4}),$$

wobei

• $\phi _{q}$ ist der Wärmestrom,
• $\epsilon$ ist der Emissionsgrad (Einheit für einen schwarzen Körper),
• $\sigma$ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante,
• $F$ ist der Sichtfaktor zwischen zwei Oberflächen a und b, und
• $T_{a}$ und $T_{b}$ sind die absoluten Temperaturen (in Kelvin oder Grad Rankine) für die beiden Objekte. ⓘ

Die durch die Stefan-Boltzmann-Gleichung festgelegte Schwarzkörpergrenze kann überschritten werden, wenn die Objekte, die Wärmestrahlung austauschen, oder die sie trennenden Entfernungen vergleichbar groß oder kleiner als die vorherrschende Wärmewellenlänge sind. Die Untersuchung dieser Fälle wird als Strahlungswärmeübertragung im Nahfeld bezeichnet. ⓘ

Die Strahlung der Sonne, auch Solarstrahlung genannt, kann zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Im Gegensatz zu konduktiven und konvektiven Formen der Wärmeübertragung kann die Wärmestrahlung - die in einem engen Winkel eintrifft, d. h. von einer Quelle kommt, die viel kleiner ist als ihre Entfernung - mit Hilfe von reflektierenden Spiegeln auf einen kleinen Punkt konzentriert werden, was bei der konzentrierenden Solarenergieerzeugung oder einem Brennglas genutzt wird. Das von Spiegeln reflektierte Sonnenlicht heizt beispielsweise den PS10-Solarturm auf und kann tagsüber Wasser auf 285 °C (545 °F) erhitzen. ⓘ

Die erreichbare Temperatur am Zielort wird durch die Temperatur der heißen Strahlungsquelle begrenzt. (Das T⁴-Gesetz lässt den Rückstrom der Strahlung zur Quelle ansteigen.) Die (auf ihrer Oberfläche) etwas 4000 K heiße Sonne erlaubt es, an einer kleinen Sonde im Brennpunkt eines großen konkaven, konzentrierenden Spiegels des Mont-Louis-Sonnenofens in Frankreich grob 3000 K (oder 3000 °C, das sind etwa 3273 K) zu erreichen. ⓘ

Phasenübergang

Blitze sind eine gut sichtbare Form der Energieübertragung und ein Beispiel für ein an der Erdoberfläche vorhandenes Plasma. In der Regel entlädt sich ein Blitz mit 30.000 Ampere bei bis zu 100 Millionen Volt und sendet Licht, Radiowellen, Röntgen- und sogar Gammastrahlen aus. Die Plasmatemperaturen in Blitzen können bis zu 28.000 Kelvin (27.726,85 °C) erreichen und die Elektronendichte kann 10²⁴ m-3 übersteigen. ⓘ

Ein Phasenübergang oder eine Phasenänderung findet in einem thermodynamischen System durch Wärmeübertragung von einer Phase oder einem Zustand der Materie in einen anderen statt. Beispiele für Phasenübergänge sind das Schmelzen von Eis oder das Sieden von Wasser. Die Mason-Gleichung erklärt das Wachstum eines Wassertropfens auf der Grundlage der Auswirkungen des Wärmetransports auf die Verdampfung und Kondensation. ⓘ

Phasenübergänge betreffen die vier Grundzustände der Materie:

• Fest - Ablagerung, Gefrieren und Umwandlung von Feststoff in Feststoff.
• Gas - Sieden / Verdampfen, Rekombination / Deionisation und Sublimation.
• Flüssigkeit - Kondensation und Schmelzen/Schmelzen.
• Plasma - Ionisierung. ⓘ

Sieden

Keimsieden von Wasser. ⓘ

Der Siedepunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit gleich dem die Flüssigkeit umgebenden Druck ist und die Flüssigkeit verdampft, was zu einer abrupten Änderung des Dampfvolumens führt. ⓘ

In einem geschlossenen System sind Sättigungstemperatur und Siedepunkt gleichbedeutend. Die Sättigungstemperatur ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit bei einem entsprechenden Sättigungsdruck in ihre Dampfphase übergeht. Man kann sagen, dass die Flüssigkeit mit thermischer Energie gesättigt ist. Jede Zufuhr von Wärmeenergie führt zu einem Phasenübergang. ⓘ

Bei normalem Atmosphärendruck und niedrigen Temperaturen findet kein Sieden statt, und die Wärmeübertragungsrate wird durch die üblichen einphasigen Mechanismen gesteuert. Wenn die Oberflächentemperatur steigt, kommt es zum lokalen Sieden, und Dampfblasen keimen auf, wachsen in die umgebende kühlere Flüssigkeit hinein und kollabieren. Dies ist das unterkühlte Keimsieden und ein sehr effizienter Wärmeübertragungsmechanismus. Bei hohen Blasenbildungsraten beginnen die Blasen zu stören, und der Wärmestrom steigt nicht mehr schnell mit der Oberflächentemperatur an (dies ist die Abkehr vom Nuklearsieden oder DNB). ⓘ

Bei ähnlichem atmosphärischem Standarddruck und hohen Temperaturen wird das hydrodynamisch ruhigere Regime des Filmsiedens erreicht. Die Wärmeströme durch die stabilen Dampfschichten sind gering, steigen aber langsam mit der Temperatur an. Jeder sichtbare Kontakt zwischen Flüssigkeit und Oberfläche führt wahrscheinlich zur extrem schnellen Keimbildung einer frischen Dampfschicht ("spontane Keimbildung"). Bei noch höheren Temperaturen wird ein Maximum des Wärmestroms erreicht (der kritische Wärmestrom, oder CHF). ⓘ

Der Leidenfrost-Effekt zeigt, wie das Keimsieden die Wärmeübertragung durch Gasblasen an der Oberfläche des Heizkörpers verlangsamt. Wie bereits erwähnt, ist die Wärmeleitfähigkeit der Gasphase viel geringer als die der Flüssigphase, so dass eine Art "Gaswärmebarriere" entsteht. ⓘ

Kondensation

Kondensation tritt auf, wenn ein Dampf abgekühlt wird und seine Phase in eine Flüssigkeit ändert. Bei der Kondensation muss die latente Wärme der Verdampfung freigesetzt werden. Die Wärmemenge entspricht derjenigen, die während der Verdampfung bei gleichem Flüssigkeitsdruck absorbiert wird. ⓘ

Es gibt verschiedene Arten der Kondensation:

• Homogene Kondensation, wie bei einer Nebelbildung.
• Kondensation in direktem Kontakt mit unterkühlter Flüssigkeit.
• Kondensation bei direktem Kontakt mit einer Kühlwand eines Wärmetauschers: Dies ist die in der Industrie am häufigsten angewandte Methode:
  • Filmartige Kondensation liegt vor, wenn sich ein Flüssigkeitsfilm auf der unterkühlten Oberfläche bildet, und tritt normalerweise auf, wenn die Flüssigkeit die Oberfläche benetzt.
  • Von tropfenweiser Kondensation spricht man, wenn sich auf der unterkühlten Oberfläche Flüssigkeitstropfen bilden, und sie tritt in der Regel auf, wenn die Flüssigkeit die Oberfläche nicht benetzt.
  Die tropfenweise Kondensation ist nur schwer zuverlässig aufrechtzuerhalten; daher sind Industrieanlagen normalerweise für den Betrieb im Modus der filmweisen Kondensation ausgelegt. ⓘ

Schmelzen

Schmelzen von Eis ⓘ

Schmelzen ist ein thermischer Prozess, der zum Phasenübergang einer Substanz von einem festen zu einem flüssigen Zustand führt. Die innere Energie eines Stoffes wird erhöht, in der Regel durch Wärme oder Druck, was zu einem Anstieg der Temperatur bis zum Schmelzpunkt führt, bei dem die Ordnung der ionischen oder molekularen Einheiten im Feststoff in einen weniger geordneten Zustand übergeht und der Feststoff sich verflüssigt. Geschmolzene Stoffe haben im Allgemeinen eine geringere Viskosität bei erhöhter Temperatur; eine Ausnahme von dieser Maxime ist das Element Schwefel, dessen Viskosität bis zu einem bestimmten Punkt aufgrund von Polymerisation ansteigt und dann bei höheren Temperaturen in seinem geschmolzenen Zustand abnimmt. ⓘ

Modellierungsansätze

Die Wärmeübertragung kann auf verschiedene Weise modelliert werden. ⓘ

Wärmegleichung

Die Wärmegleichung ist eine wichtige partielle Differentialgleichung, die die Verteilung der Wärme (oder die Veränderung der Temperatur) in einem bestimmten Bereich über die Zeit beschreibt. In einigen Fällen stehen exakte Lösungen der Gleichung zur Verfügung; in anderen Fällen muss die Gleichung numerisch mit Hilfe von Berechnungsmethoden gelöst werden, z. B. mit DEM-basierten Modellen für thermische/reagierende Partikelsysteme (wie von Peng et al. kritisch überprüft). ⓘ

Analyse pauschaler Systeme

Bei der Analyse pauschaler Systeme wird die Komplexität der Gleichungen häufig auf eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung reduziert. In diesem Fall werden Erwärmung und Abkühlung durch eine einfache exponentielle Lösung beschrieben, die häufig als Newtonsches Gesetz der Abkühlung bezeichnet wird. ⓘ

Die Systemanalyse nach dem Modell der pauschalen Kapazität ist eine gängige Annäherung an die instationäre Wärmeleitung, die immer dann verwendet werden kann, wenn die Wärmeleitung innerhalb eines Objekts viel schneller ist als die Wärmeleitung über die Grenze des Objekts. Dabei handelt es sich um eine Näherungsmethode, die einen Aspekt des instationären Leitungssystems - den innerhalb des Objekts - auf ein gleichwertiges stationäres System reduziert. Das heißt, die Methode geht davon aus, dass die Temperatur innerhalb des Objekts völlig gleichmäßig ist, obwohl sich ihr Wert im Laufe der Zeit ändern kann. ⓘ

Bei dieser Methode wird das Verhältnis zwischen dem konduktiven Wärmewiderstand innerhalb des Objekts und dem konvektiven Wärmeübergangswiderstand an der Objektgrenze, die so genannte Biot-Zahl, berechnet. Bei kleinen Biot-Zahlen kann die Näherung einer räumlich gleichmäßigen Temperatur innerhalb des Objekts verwendet werden: Es kann davon ausgegangen werden, dass die in das Objekt übertragene Wärme aufgrund des geringeren Widerstands Zeit hat, sich gleichmäßig zu verteilen, verglichen mit dem Widerstand der in das Objekt eindringenden Wärme. ⓘ

Klimamodelle

Klimamodelle untersuchen die Strahlungswärmeübertragung mit Hilfe quantitativer Methoden, um die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Landoberfläche und Eis zu simulieren. ⓘ

Technik

Wärmeeinwirkung als Teil eines Brandtests für Brandschutzprodukte ⓘ

Die Wärmeübertragung ist für das Funktionieren zahlreicher Geräte und Systeme von großer Bedeutung. Wärmeübertragungsprinzipien können zur Aufrechterhaltung, Erhöhung oder Senkung der Temperatur unter einer Vielzahl von Umständen eingesetzt werden. Wärmeübertragungsmethoden werden in zahlreichen Disziplinen eingesetzt, z. B. in der Automobiltechnik, dem Wärmemanagement elektronischer Geräte und Systeme, der Klimatisierung, der Isolierung, der Materialverarbeitung, der Chemietechnik und der Kraftwerkstechnik. ⓘ

Isolierung, Strahlungsleistung und Widerstand

Wärmedämmstoffe sind Materialien, die speziell darauf ausgelegt sind, den Wärmefluss zu verringern, indem sie die Wärmeleitung, die Konvektion oder beides einschränken. Der Wärmewiderstand ist eine Wärmeeigenschaft und das Maß, mit dem ein Objekt oder Material dem Wärmefluss (Wärme pro Zeiteinheit oder Wärmewiderstand) bei Temperaturunterschieden widersteht. ⓘ

Strahldichte oder spektrale Strahldichte sind Maße für die Menge an Strahlung, die durch ein Objekt hindurchgeht oder von ihm ausgeht. Strahlungsbarrieren sind Materialien, die Strahlung reflektieren und somit den Wärmefluss von Strahlungsquellen reduzieren. Gute Isolierstoffe sind nicht unbedingt gute Strahlungsbarrieren und umgekehrt. Metall zum Beispiel ist ein hervorragender Reflektor und ein schlechter Isolator. ⓘ

Die Wirksamkeit einer Strahlungsbarriere wird durch ihr Reflexionsvermögen angegeben, d. h. den Anteil der reflektierten Strahlung. Ein Material mit einem hohen Reflexionsvermögen (bei einer bestimmten Wellenlänge) hat ein niedriges Emissionsvermögen (bei derselben Wellenlänge) und umgekehrt. Bei einer bestimmten Wellenlänge ist das Reflexionsvermögen = 1 - Emissionsvermögen. Eine ideale Strahlungsbarriere hätte ein Reflexionsvermögen von 1 und würde daher 100 Prozent der einfallenden Strahlung reflektieren. Vakuumflaschen oder Dewars werden versilbert, um sich diesem Ideal anzunähern. Im Vakuum des Weltraums verwenden Satelliten eine mehrschichtige Isolierung, die aus vielen Schichten aluminisiertem (glänzendem) Mylar besteht, um die Wärmeübertragung durch Strahlung stark zu reduzieren und die Temperatur des Satelliten zu kontrollieren. ⓘ

Geräte

Schematischer Energiefluss in einer Wärmekraftmaschine. ⓘ

Eine Wärmekraftmaschine ist ein System, das einen Strom thermischer Energie (Wärme) in mechanische Energie umwandelt, um mechanische Arbeit zu verrichten. ⓘ

Ein Thermoelement ist ein Temperaturmessgerät und eine weit verbreitete Art von Temperatursensor zur Messung und Steuerung und kann auch zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie verwendet werden. ⓘ

Ein thermoelektrischer Kühler ist ein elektronisches Festkörpergerät, das Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere pumpt (überträgt), wenn elektrischer Strom durch das Gerät geleitet wird. Sie basiert auf dem Peltier-Effekt. ⓘ

Eine thermische Diode oder ein thermischer Gleichrichter ist ein Gerät, das den Wärmefluss vorzugsweise in eine Richtung lenkt. ⓘ

Wärmetauscher

Ein Wärmetauscher wird für eine effizientere Wärmeübertragung oder zur Wärmeabfuhr verwendet. Wärmetauscher werden häufig in der Kälte- und Klimatechnik, der Raumheizung, der Stromerzeugung und der chemischen Verarbeitung eingesetzt. Ein gängiges Beispiel für einen Wärmetauscher ist der Kühler eines Autos, in dem die heiße Kühlflüssigkeit durch den Luftstrom über die Oberfläche des Kühlers abgekühlt wird. ⓘ

Gängige Arten von Wärmetauscherströmungen sind Parallelströmung, Gegenströmung und Kreuzströmung. Bei der Parallelströmung bewegen sich beide Flüssigkeiten während der Wärmeübertragung in dieselbe Richtung, bei der Gegenströmung bewegen sich die Flüssigkeiten in entgegengesetzte Richtungen und bei der Kreuzströmung bewegen sich die Flüssigkeiten im rechten Winkel zueinander. Zu den gängigen Arten von Wärmetauschern gehören Rohrbündel, Doppelrohr, extrudiertes Rippenrohr, Spiralrippenrohr, U-Rohr und gestapelte Platten. Jeder Typ hat bestimmte Vor- und Nachteile gegenüber anderen Typen. ⓘ

Eine Wärmesenke ist ein Bauteil, das die in einem festen Material erzeugte Wärme an ein flüssiges Medium, z. B. Luft oder eine Flüssigkeit, abgibt. Beispiele für Wärmesenken sind die in Kühl- und Klimaanlagen verwendeten Wärmetauscher oder der Kühler in einem Auto. Ein Wärmerohr ist ein weiteres Wärmeübertragungselement, das Wärmeleitfähigkeit und Phasenübergang kombiniert, um Wärme zwischen zwei festen Grenzflächen effizient zu übertragen. ⓘ

Anwendungen

Architektur

Effiziente Energienutzung ist das Ziel, die zum Heizen oder Kühlen erforderliche Energiemenge zu reduzieren. In der Architektur können Kondenswasser und Luftströmungen kosmetische oder strukturelle Schäden verursachen. Ein Energieaudit kann dazu beitragen, die Umsetzung empfohlener Abhilfemaßnahmen zu bewerten. Dazu gehören beispielsweise die Verbesserung der Isolierung, die Abdichtung von undichten Stellen oder der Einbau energieeffizienter Fenster und Türen. ⓘ

• Smart Meter ist ein Gerät, das den Stromverbrauch in Intervallen aufzeichnet.
• Der Wärmedurchgangskoeffizient ist die Rate der Wärmeübertragung durch eine Struktur geteilt durch den Temperaturunterschied in der Struktur. Er wird in Watt pro Quadratmeter und Kelvin oder W/(m²K) angegeben. Gut isolierte Gebäudeteile haben einen niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten, während schlecht isolierte Gebäudeteile einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten haben.
• Thermostat ist ein Gerät zur Überwachung und Regelung der Temperatur. ⓘ

Klimatechnik

Ein Beispiel für eine Anwendung in der Klimatechnik ist die Herstellung von Biokohle durch Pyrolyse. Durch die Speicherung von Treibhausgasen in Kohlenstoff wird die Strahlungskapazität der Atmosphäre verringert, so dass mehr langwellige (infrarote) Strahlung in den Weltraum abgegeben wird. ⓘ

Climate Engineering besteht aus der Entfernung von Kohlendioxid und der Steuerung der Sonneneinstrahlung. Da die Menge des Kohlendioxids die Strahlungsbilanz der Erdatmosphäre bestimmt, können Techniken zur Entfernung von Kohlendioxid eingesetzt werden, um den Strahlungsantrieb zu verringern. Bei der Steuerung der Sonneneinstrahlung wird versucht, weniger Sonnenstrahlung zu absorbieren, um die Auswirkungen der Treibhausgase auszugleichen. ⓘ

Treibhauseffekt

Eine Darstellung des Energieaustauschs zwischen der Quelle (der Sonne), der Erdoberfläche, der Erdatmosphäre und der ultimativen Senke im Weltraum. Die Fähigkeit der Atmosphäre, die von der Erdoberfläche abgegebene Energie einzufangen und wiederzuverwerten, ist das entscheidende Merkmal des Treibhauseffekts. ⓘ

Der Treibhauseffekt ist ein Prozess, bei dem die Wärmestrahlung einer Planetenoberfläche von den atmosphärischen Treibhausgasen absorbiert und in alle Richtungen zurückgestrahlt wird. Da ein Teil dieser Rückstrahlung in Richtung der Oberfläche und der unteren Atmosphäre erfolgt, führt dies zu einer Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur über den Wert, der ohne die Gase herrschen würde. ⓘ

Wärmeübertragung im menschlichen Körper

Die Grundsätze der Wärmeübertragung in technischen Systemen können auf den menschlichen Körper angewandt werden, um zu bestimmen, wie der Körper Wärme überträgt. Wärme wird im Körper durch den kontinuierlichen Stoffwechsel der Nährstoffe erzeugt, der Energie für die Systeme des Körpers liefert. Der menschliche Körper muss eine konstante Innentemperatur aufrechterhalten, um gesunde Körperfunktionen zu gewährleisten. Daher muss überschüssige Wärme aus dem Körper abgeleitet werden, um ihn vor Überhitzung zu schützen. Bei hoher körperlicher Aktivität benötigt der Körper zusätzlichen Brennstoff, wodurch sich die Stoffwechselrate und die Wärmeproduktion erhöhen. Der Körper muss dann zusätzliche Methoden anwenden, um die zusätzlich erzeugte Wärme abzuführen, um die Innentemperatur auf einem gesunden Niveau zu halten. ⓘ

Die Wärmeübertragung durch Konvektion wird durch die Bewegung von Flüssigkeiten über die Oberfläche des Körpers angetrieben. Diese Konvektionsflüssigkeit kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Bei der Wärmeübertragung von der Außenfläche des Körpers hängt der Konvektionsmechanismus von der Körperoberfläche, der Luftgeschwindigkeit und dem Temperaturgefälle zwischen der Hautoberfläche und der Umgebungsluft ab. Die Normaltemperatur des Körpers liegt bei etwa 37 °C. Die Wärmeübertragung erfolgt leichter, wenn die Temperatur der Umgebung deutlich unter der normalen Körpertemperatur liegt. Dieses Konzept erklärt, warum sich eine Person kalt anfühlt, wenn sie in einer kalten Umgebung nicht genügend Kleidung trägt. Kleidung kann als Isolator betrachtet werden, der dem Wärmefluss über den bedeckten Teil des Körpers einen Wärmewiderstand entgegensetzt. Dieser Wärmewiderstand bewirkt, dass die Temperatur an der Oberfläche der Kleidung geringer ist als die Temperatur an der Hautoberfläche. Dieses geringere Temperaturgefälle zwischen der Oberflächentemperatur und der Umgebungstemperatur führt zu einer geringeren Wärmeübertragungsrate, als wenn die Haut nicht bedeckt wäre. ⓘ

Um sicherzustellen, dass ein Teil des Körpers nicht wesentlich wärmer ist als ein anderer, muss die Wärme gleichmäßig über das Körpergewebe verteilt werden. Das durch die Blutgefäße fließende Blut wirkt als Konvektionsflüssigkeit und trägt dazu bei, dass sich im Körpergewebe keine überschüssige Wärme staut. Dieser Blutfluss durch die Gefäße kann als Rohrströmung in einem technischen System modelliert werden. Die vom Blut transportierte Wärme wird durch die Temperatur des umgebenden Gewebes, den Durchmesser des Blutgefäßes, die Dicke der Flüssigkeit, die Strömungsgeschwindigkeit und den Wärmeübergangskoeffizienten des Blutes bestimmt. Die Geschwindigkeit, der Blutgefäßdurchmesser und die Flüssigkeitsdicke können mit der Reynolds-Zahl in Beziehung gesetzt werden, einer dimensionslosen Zahl, die in der Strömungsmechanik verwendet wird, um die Strömung von Flüssigkeiten zu charakterisieren. ⓘ

Der latente Wärmeverlust, der auch als Verdunstungswärmeverlust bezeichnet wird, macht einen großen Teil des Wärmeverlusts des Körpers aus. Wenn die Kerntemperatur des Körpers ansteigt, löst der Körper die Schweißdrüsen in der Haut aus, um zusätzliche Feuchtigkeit an die Hautoberfläche zu bringen. Die Flüssigkeit wird dann in Wasserdampf umgewandelt, der der Körperoberfläche Wärme entzieht. Die Geschwindigkeit des Verdunstungswärmeverlusts steht in direktem Zusammenhang mit dem Dampfdruck an der Hautoberfläche und der Menge der auf der Haut vorhandenen Feuchtigkeit. Daher ist die Wärmeübertragung am größten, wenn die Haut vollständig nass ist. Der Körper verliert ständig Wasser durch Verdunstung, aber der größte Wärmeverlust tritt bei erhöhter körperlicher Aktivität auf. ⓘ

Techniken der Kühlung

Verdunstungskühlung

Ein traditioneller Luftkühler in Mirzapur, Uttar Pradesh, Indien ⓘ

Bei der Verdunstungskühlung wird der Umgebungsluft Wasserdampf zugeführt. Die zur Verdunstung des Wassers benötigte Energie wird der Luft in Form von fühlbarer Wärme entzogen und in latente Wärme umgewandelt, während die Luft eine konstante Enthalpie behält. Die latente Wärme beschreibt die Wärmemenge, die zur Verdunstung der Flüssigkeit benötigt wird; diese Wärme stammt aus der Flüssigkeit selbst sowie aus dem umgebenden Gas und den Oberflächen. Je größer der Unterschied zwischen den beiden Temperaturen ist, desto größer ist der Effekt der Verdunstungskühlung. Wenn die Temperaturen gleich sind, findet keine Nettoverdampfung von Wasser in der Luft statt; es gibt also keinen Kühleffekt. ⓘ

Laserkühlung

In der Quantenphysik wird die Laserkühlung eingesetzt, um bei atomaren und molekularen Proben Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) zu erreichen und einzigartige Quanteneffekte zu beobachten, die nur bei dieser Temperatur auftreten können. ⓘ

• Die Doppler-Kühlung ist die häufigste Methode der Laserkühlung.
• Sympathische Kühlung ist ein Prozess, bei dem Teilchen eines Typs Teilchen eines anderen Typs kühlen. In der Regel werden atomare Ionen, die direkt mit dem Laser gekühlt werden können, zur Kühlung benachbarter Ionen oder Atome verwendet. Diese Technik ermöglicht die Kühlung von Ionen und Atomen, die nicht direkt mit dem Laser gekühlt werden können. ⓘ

Magnetische Kühlung

Die magnetische Verdunstungskühlung ist ein Verfahren zur Senkung der Temperatur einer Gruppe von Atomen, die zuvor mit Methoden wie der Laserkühlung gekühlt wurden. Die magnetische Kühlung kühlt unter 0,3 K, indem sie sich den magnetokalorischen Effekt zunutze macht. ⓘ

Strahlungskühlung

Strahlungskühlung ist der Prozess, bei dem ein Körper Wärme durch Strahlung verliert. Die ausgehende Energie ist ein wichtiger Effekt im Energiehaushalt der Erde. Im Fall des Systems Erde-Atmosphäre handelt es sich um den Prozess, bei dem langwellige (infrarote) Strahlung emittiert wird, um die Absorption kurzwelliger (sichtbarer) Energie von der Sonne auszugleichen. Die Thermosphäre (oberste Schicht der Atmosphäre) kühlt sich in erster Linie durch die Infrarotenergie ab, die von Kohlendioxid (CO2) bei 15 μm und von Stickstoffoxid (NO) bei 5,3 μm abgestrahlt wird. Durch konvektiven Wärmetransport und Verdunstung von latenter Wärme wird Wärme von der Oberfläche abgeführt und in der Atmosphäre neu verteilt. ⓘ

Thermische Energiespeicherung

Die thermische Energiespeicherung umfasst Technologien zur Sammlung und Speicherung von Energie für eine spätere Nutzung. Sie können eingesetzt werden, um den Energiebedarf zwischen Tag und Nacht auszugleichen. Der Wärmespeicher kann auf einer Temperatur gehalten werden, die über oder unter der der Umgebung liegt. Zu den Anwendungen gehören Raumheizung, Warmwasserbereitung für Haushalte oder Prozesse oder die Stromerzeugung. ⓘ

Arten

Abgrenzung

Obwohl bei dielektrischer Erwärmung und induktiver Erwärmung Gegenstände erhitzt werden, handelt es sich nicht um Wärmeübertragung, weil die jeweiligen "Sender" die Energie weder auf Grund ihrer jeweiligen Temperatur abgeben noch diese mit zunehmender Temperatur steigt. ⓘ

Beispiel: Bauwesen

Das Heizen eines Gebäudes, allgemein das Konstanthalten der Innentemperatur auf einem Richtwert, beruht auf der Energiebilanz zwischen Wärmeübertragung des Gebäudes an die Umgebung (Wärmeverlust) und Wärmeübertragung des Heizsystems auf das beheizte Raumvolumen, und stellt den benötigten Heizenergiebedarf dar (Thermischer Anteil der Energiebedarfsberechnung). ⓘ

Die Wärmeverluste des Gebäudes werden allgemein über die Wärmeübertragung durch Bauteile nach EN ISO 6946 berechnet (für unbeheizte Gebäudeteile u. a. nach EN 832). ⓘ

Die Vorgänge bei der Raumheizung sind komplex, denn Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung überlagern sich und verlaufen in der Regel instationär. Je nachdem welche Anteile überwiegen, spricht man beispielsweise von einer Konvektionsheizung oder einer Strahlungsheizung, wobei die Heizflächen in die Umfassungen integriert oder als frei stehende Heizkörper angeordnet sein können. Dazu verwendet man wärmetechnische Raummodelle. ⓘ