Die Wärmeübertragung nimmt ein Feld ein, das eine breite Palette von Funktionen umfasst, von einfachen Prozessen der Erwärmung und Abkühlung von Objekten bis hin zu fortgeschrittenen thermodynamischen Konzepten in der thermischen Physik. Um zu verstehen, wie ein Getränk im Sommer kühlt oder wie Wärme von der Sonne zur Erde wandert, müssen Sie diese Grundprinzipien der Wärmeübertragung grundlegend verstehen.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme von einem Objekt mit einer höheren Temperatur auf ein Objekt mit einer niedrigeren Temperatur übertragen wird. Die Atome mit höherer Energie (und damit mit höherer Temperatur) bewegen sich zu den Atomen mit niedrigerer Energie (niedrigere Temperatur), um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten (bekannt als thermisches Gleichgewicht). Die Wärmeübertragung erfolgt, um dieses Prinzip aufrechtzuerhalten, wenn ein Objekt eine andere Temperatur als ein anderes Objekt oder seine Umgebung hat.
Wärmeübertragung durch Leitung
Wenn Materieteilchen in direktem Kontakt sind, erfolgt die Wärmeübertragung durch Leitung. Die benachbarten Atome höherer Energie schwingen gegeneinander, wodurch die höhere Energie auf die niedrigere Energie oder die höhere Temperatur auf die niedrigere Temperatur übertragen wird. Das heißt, Atome höherer Intensität und höherer Wärme werden schwingen, wodurch die Elektronen in Bereiche geringerer Intensität und niedrigerer Wärme bewegt werden. Flüssigkeiten und Gase sind weniger leitfähig als Festkörper (Metalle sind die besten Leiter), da sie weniger dicht sind, was bedeutet, dass die Atome einen größeren Abstand haben.
Konvektionswärmeübertragung
Konvektion beschreibt die Wärmeübertragung zwischen einer Oberfläche und einer Flüssigkeit oder einem Gas in Bewegung. Wenn sich das Fluid oder Gas schneller bewegt, nimmt die konvektive Wärmeübertragung zu. Zwei Arten von Konvektion sind natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion. Bei natürlicher Konvektion resultiert die Flüssigkeitsbewegung aus den heißen Atomen in der Flüssigkeit, wobei sich die heißen Atome nach oben zu den kühleren Atomen in der Luft bewegen – die Flüssigkeit bewegt sich unter dem Einfluss der Schwerkraft. Beispiele hierfür sind die aufsteigenden Zigarettenrauchwolken oder die Hitze von der Motorhaube eines Autos, die nach oben steigt. Bei der erzwungenen Konvektion wird die Flüssigkeit durch einen Ventilator oder eine Pumpe oder eine andere externe Quelle gezwungen, über die Oberfläche zu wandern.
Wärmeübertragung und Strahlung
Strahlung (nicht zu verwechseln mit Wärmestrahlung) bezieht sich auf die Übertragung von Wärme durch einen leeren Raum. Diese Form der Wärmeübertragung erfolgt ohne ein zwischengeschaltetes Medium; Strahlung funktioniert sogar in und durch ein perfektes Vakuum. So wandert beispielsweise Sonnenenergie durch das Vakuum des Weltraums, bevor die Wärmeübertragung die Erde erwärmt.
Wärmeübertragung ist ein fester Bestandteil der Ausbildung in einschlägigen Fächern, wie zum Beispiel im Curriculum des Chemie- oder Maschinenbaus. Fertigung und HVAC (Heizung, Lüftung und Luftkühlung) sind Beispiele für Branchen, die stark auf Thermodynamik und Prinzipien der Wärmeübertragung angewiesen sind. Thermowissenschaften und Thermophysik sind höhere Bildungsbereiche, die sich mit Wärmeübertragung befassen.