WÄRMEÜBERTRAGUNG UND DIFFUSION
URSACHE DER WÄRMEÜBERTRAGUNG; BEGRIFFE
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Wodurch unterscheiden sich 1 Liter kaltes Wasser und 1 Liter warmes Wasser? Ist das warme Wasser schwerer, weil ja das Gewicht der Wärme dazukommt? Nein natürlich nicht! Der Unterschied besteht nur darin, dass die Wassermoleküle im warmen Wasser mehr in (einer ungeordneten) Bewegung sind. Will man etwas in Bewegung bringen ist Energie erforderlich. In diesem Kapitel stellen wir uns die Frage, wie bringe ich die Wassermoleküle in Bewegung. Sie können angestoßen werden. Dafür ist ein enger Kontakt notwendig. Sie können aber auch einen Energiequant aufnehmen. Das geht ohne Kontakt auch über Vakuum. Infrarotes Licht ist Wärmestrahlung. Es besteht aus Energiequanten. Ich kann aber auch kaltes Wasser mit Warmen mischen. Die Moleküle des warmen Wassers geben dann einen Teil ihrer Bewegungsenergie, an das Kalte ab.
Zwischen zwei benachbarten Körpern mit unterschiedlichen Temperaturen findet ein Wärmetransport statt, der nach Temperaturausgleich strebt.
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Die Wärme (Wärmemenge Q) ist auf Grund des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik definiert.
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Der Wärmestrom Φ ist gleich dem Quotienten der strömenden Wärme dQ durch Zeitspanne dt. Es gilt: Φ = dQ / dt.
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Die Wärmestromdichte q ist der Quotient Wärmestrom Φ durch Fläche A. Es gilt: q = F / A.
Wärmeübertragung ist nach DIN 1341 der gemeinsame Name für den Transport von Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Die Vorgänge der Wärmeübertragung können zeitunabhängig (stationär) oder zeitabhängig (instationär) sein.
der
Wärme-
übertragung
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Wärmeleitung liegt vor, wenn zwischen Körpern oder Teilen eines Körpers Wärme übertragen wird, die einander berühren (in Kontakt stehen), aber relativ zueinander unbewegt sind.
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Wärmestrahlung führt zu einer Temperaturänderung auch ohne Kontakt und selbst durch das Vakuum hindurch.
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Wärmekonvektion erfolgt ebenfalls zwischen Körpern die einander nicht berühren, aber mit Hilfe einer flüssigen oder gasförmigen Überträgersubstanz.
und Senke
Wärmetransport durch Wärmestrahlung erfolgt in beiden Richtungen. Der Netto-Transport der Strahlungsleistung (Strahlungsfluss Φe ) erfolgt ebenfalls von der Quelle zu Senke. Der Wärmestrom durch Strahlung wächst mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Für technische Überlegungen ist Wärmestrahlung im allgemeinen erst ab Temperaturen über 200°C wichtig.
Der Wärmetransport ist beendet, wenn ΔT = 0K ist, d.h. wenn beide Körper die gleiche Temperatur aufweisen.
Ein Temperaturgefälle besteht zwischen einer Quelle und einer Senke, mit unterschiedlichen Ort und unterschiedlicher Temperatur. Es wird in K/m gemessen.
Das mittlere (örtliche) Temperaturgefälle entlang der Wegstrecke Δx zwischen den Orten x1 und x2 (unabhängig von der Zeit t) errechnet sich aus dem Temperaturunterschied ΔT und der Entfernung Δx zwischen den beiden Orten x1 und x2.
gefälle
Das Temperaturgefälle kann als Funktion des Ortes entlang einer x-Achse (unabhängig von der Zeit t) dargestellt werden.
Es gilt:
T2: Temperatur am Ort 2 (Abstand x2)
ΔT: Temperaturdifferenz zwischen x1, x2
Δx: Abstand entlang der x-Achse
Temperatur-
feld
Ein Temperaturfeld liegt dann vor, wenn das Temperaturgefälle in allen drei Raumrichtungen dargestellt wird.
ΔT / Δx gilt als negativ, wenn T mit wachsendem Abstand sinkt.
Es ist z.B. das mittlere Temperaturfeld der Erde vom Erdmittelpunkt zur Erdoberfläche, entlang dem Erdradius, etwa –3·10–2 K/m.
Die mittlere Temperaturrate beschreibt die zeitliche Änderung der Temperatur am selben Ort. Sie wird in K/s oder °C/s gemessen.
