Mechanismen der Wärmeübertragung
Als Wärmeübertragung bezeichnet man den Transport von thermischer Energie aufgrund eines Temperaturunterschiedes. Die transportierte thermische Energie wird auch als Wärme bezeichnet. Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung, welche untenstehend dargestellt sind.
- Wärmeleitung ist das Fließen von thermischer Energie aufgrund eines Temperaturunterschiedes.
- Wärmeübertragung zwischen einer Wand und einem strömenden Fluid nennt man Konvektion.
- Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen, die Wärme von einer zu einer anderen Oberfläche transferieren.
Wärmeleitung
Wärmeleitung ist das Fließen von thermischer Energie (Wärme) aufgrund eines Temperaturunterschiedes innerhalb eines Mediums. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt der Wärmefluss immer in Richtung geringerer Temperatur. In den Abbildungen oben ist die Temperatur T1 größer als T2. Deshalb fließt der Wärmestrom für alle drei Wärmeübertragungen in Richtung Temperatur T2. Nach Fourier lautet das Grundgesetz der Wärmeleitung:
Hierbei berechnet sich die Wärmestromdichte q aus dem Produkt von negativer Wärmeleitfähigkeit und dem Temperaturgradienten grad T senkrecht zur Querschnittsfläche.
Konvektion
Die Wärmeübertragung zwischen einer Wand und einem strömenden Fluid nennt man Konvektion. Dabei erfolgt die Unterscheidung zwischen freier und erzwungener Konvektion. Die Strömung wird bei der erzwungenen Konvektion durch einen Druckunterschied und bei der freien Konvektion durch einen Temperaturunterschied und den daraus folgenden Auftriebskräften aufgrund von Dichteunterschieden erzeugt. Die übertragene Wärmestromdichte ergibt sich aus:
Hierbei steht α für den Wärmeübergangskoeffizienten, TF für die Fluidtemperatur und TW für die Wandtemperatur.
Wärmestrahlung
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz bildet die Grundlage der Wärmestrahlung. Dieses besagt, dass jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur liegt, Wärmestrahlung aussendet. Hierfür ist, im Gegensatz zu Wärmeleitung und Konvektion, kein stofflicher Träger notwendig. Die Wärmestrahlung sind elektromagnetische Wellen, durch die Wärme von einer zu einer anderen Oberfläche transferiert wird. Weiterhin beschreibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz, wieviel thermische Strahlungsleistung ein Körper aussendet. Strahlen zwei Oberflächen gegeneinander, beträgt der durch Strahlung entstehende Wärmestrom, welcher von Körper 1 auf Körper 2 übertragen wird:
Dabei steht ε12 für den resultierenden Emissionsgrad, σs für die Stefan-Boltzmann-Konstante, A1 für die strahlende Fläche und T für die Temperatur der Körper.
Wärmestrahlung ohne den sichtbaren Lichtanteil nennt man Infrarotstrahlung. Weitere Informationen zur Infrarotstrahlung/Wärmestrahlung finden Sie hier.