Welche Art von Wärmeübertragung tritt in Flüssigkeiten und Gasen auf?

Die Wärmeübertragung erfolgt durch drei Hauptmechanismen: Leitung, bei der stark schwingende Moleküle ihre Energie auf andere Moleküle mit niedrigerer Energie übertragen; Konvektion, bei der die Massenbewegung eines Fluids Ströme und Wirbel verursacht, die das Mischen und die Verteilung von Wärmeenergie fördern; und Strahlung, bei der ein heißer Körper Energie abgibt, die über elektromagnetische Wellen auf ein anderes System einwirken kann. Konvektion und Wärmeleitung sind die beiden bekanntesten Methoden der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen.

Leitfähigkeit tritt typischerweise in Feststoffen auf. Elektroherdplatten nutzen konduktive Wärmeübertragung, um einen Topf mit Wasser zum Kochen zu bringen: Wärmeenergie wird vom heißen Brenner auf den kühlen Topf übertragen, wodurch die Temperatur des Wassers ansteigt. Leitung geschieht aufgrund der Schwingung von Molekülen. In einer festen Substanz haben Atome, die sehr eng in gitterartigen Strukturen angeordnet sind, nur sehr wenig Bewegungsfreiheit im Raum. Während der Brenner aufheizt, beginnen die Atome im Metall mit zunehmender Energie immer schneller zu vibrieren. Wenn Sie den kühlen Topf mit Wasser auf den Brenner stellen, erzeugen Sie einen Temperaturgradienten – einen Ort, an den die Wärme fließen kann. Da Energie von heißen Dingen zu kühleren Dingen fließt, übertragen die schwingenden Atome des Brenners einen Teil ihrer Wärme an die Atome, aus denen das Metall Ihres Wassertopfs besteht. Dadurch schwingen die Atome des Topfes und übertragen ihre Energie auf das Wasser.

Leitung ist bei Festkörpern häufiger anzutreffen, aber im Prinzip kann – und tut – sie in Flüssigkeiten und Gasen vorkommen, nur nicht sehr gut. Da die Moleküle von Flüssigkeiten eine größere Bewegungsfreiheit haben als in Festkörpern, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass schwingende Moleküle miteinander kollidieren und Energie durch die Flüssigkeit übertragen. Tatsächlich ist Luft ein so schlechter Leiter, dass sie zur Isolierung von Häusern verwendet wird. Einige energieeffiziente Fenster haben "Lufträume" zwischen sich, die eine Lufttasche zwischen dem Inneren des Hauses und der kalten Außenluft bilden. Da Luft die Wärme nicht sehr gut leitet, bleibt mehr Wärme im Haus, da die Luft den Weg dieser Wärmeenergie nach außen erschwert.

Konvektion ist bei weitem die effizienteste und gebräuchlichste Art, Wärme durch Flüssigkeiten und Gase zu übertragen. Es tritt auf, wenn einige Bereiche einer Flüssigkeit heißer werden als andere, wodurch Strömungen in der Flüssigkeit verursacht werden, die sie bewegen, um diese Wärme gleichmäßiger zu verteilen. Denken Sie an ein Haus im Winter. Sie haben vielleicht bemerkt, dass es auf dem Dachboden immer sehr warm ist, während der Keller normalerweise kühl ist. Dies geschieht, weil sich die Luft erwärmt, wenn sie leicht wird, wodurch sie sich nach oben in Richtung Decke bewegt. Kalte Luft ist viel schwerer und fällt zu Boden. Wenn die heiße Luft zur Decke strömt und die kalte Luft nach unten fällt, kollidieren diese beiden Luftarten und vermischen sich, wodurch die Wärme des warmen Arms an die kühlere Luft abzugeben und so die Wärme im ganzen Raum zu verteilen.

Strahlung tritt auf, wenn ein Körper heiß genug wird, um elektromagnetische Energie auszusenden. Die Sonne ist ein klassisches Beispiel für Strahlungswärmeübertragung: Sie ist im Weltraum sehr weit entfernt, aber heiß genug, um ihre Wärme zu spüren. Sie spüren diese Wärme durch die Strahlung, und selbst an einem kühlen Tag fühlt sich die Sonne warm an. Elektromagnetische Energie kann durch den leeren Raum wandern und ein Zielobjekt aus großer Entfernung aufheizen. Strahlungswärmeübertragung findet in Flüssigkeiten und Gasen normalerweise nicht statt.