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Hier erfahren Sie etwas über

  • die Wärmeleitung.

Wärmeleitung

 

Unter Wärmeleitung (Konduktion) wird in der Physik der Wärmefluß in einer Substanz (fest, füssig oder gasförmig) infolge eines Temperaturunterschiedes verstanden.
Die Wärmeleitung ist damit, neben den anderen Wärmeübertragungsarten Konvektion und Wärmestrahlung, ein Vorgang zum Transport von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Die Wärmeleitung erfolgt durch das Zusammenstoßen der Atome oder Moleküle in diesem Körper. Dabei übertragen Moleküle mit höherer kinetischer Energie ihre Energie auf benachbarte Moleküle mit geringerer kinetischer Energie. Je heftiger diese Bewegung ist, desto höher ist die Temperatur. Die Wärmeleitung ist aber niemals mit dem Transport von Teilchen verknüpft.

  • Der Transport von Wärme kann durch Wärmeleitung, durch elektromagnetische Strahlung und durch Transport von „warmer“ Materie erfolgen. Den Wärmetransport, der mit Materietransport verknüpft ist, nennt man in Gasen und Flüssigkeiten Konvektion. Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist nicht an Materie gebunden. Sie beruht darauf, daß jeder Körper ein für seine jeweilige Temperatur charakteristisches Strahlungsspektrum (vom Infraroten bis zum Ultravioletten) emittiert, das von Körpern in der Umgebung absorbiert wird. Die Wärmeleitung ist an Materie gebunden und erfolgt dadurch, daß Energieträger (z. B. Atome, Elektronen) Energie aufnehmen und wieder abgeben, dabei aber (im Gegensatz zur Konvektion) nicht selbst mittransportiert werden. In Gasen sind die Energieträger die Gasmoleküle oder -atome. In Festkörpern wird die Wärme durch Gitterschwingungen der Atome und Moleküle übertragen. In Metallen tritt ein zusätzlicher Energietransport durch die freien Elektronen auf. Da die freien Elektronen auch für die elektrische Leitung verantwortlich sind, besteht für Metalle ein proportionaler Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit.

In einem abgeschlossenen System verläuft der Wärmetransport stets so, dass eine Gleichverteilung der Temperatur angestrebt wird. Tritt also in einem Körper ein Temperaturgefälle (Temperaturgradient) auf, so fließt ein Wärmestrom von dem Ort höherer Temperatur zu dem Ort geringerer Temperatur. Die Wärme fließt dabei gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik immer nur in Richtung zur geringeren Temperatur. Nach dem Energieerhaltungssatz geht dabei keine Wärme verloren. Wärmeleitung ist somit der Transport von thermischer Energie, ohne daß dabei wie bei der Konvektion ein Materialstrom stattfindet. Auch der Energietransport durch Wärmestrahlung ist davon getrennt zu betrachten. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem bestimmten Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit.

  • Wird ein Ende einer Metallstange über ein Feuer halten, absorbiert dieses Ende die Energie der Flamme . Den Atomen an diesem Ende der Stange wird damit Energie zugeführt und ihre Temperatur steigt. Sie beginnen daher schneller zu vibrieren und stoßen an den benachbarten Atome an. Durch die Stöße mit den anderen Atomen nimmt nun deren Energie zu und ihre Temperatur steigt. Die Wärmeenergie wird dadurch allmählich durch den Stab geleitet, wobei jedes Atom seine Ruhelage beibehält, da kein Stofftransport stattfindet. Die Hitze wird so vom warmen Ende zum kalten Ende übertragen.

Wärmeleitung

 

Substanz Wärmeleitfähigkeit

Wärmekapazität kJ/(kg·K)

ruhende Luft bei 20° C

0,023

1,005

trockene Erde

0,25

0,8
Wasser bei 20° C

0,60

4,182

Schnee

0,63

2,060

feuchte Erde

2,1

2

Beton 1,6

0,88

Granit

2,7

0,892

Eisen

80

0,452

Kupfer 395

0,382

Silber

427

0,235

Dabei sind Metalle gute und Gase schlechte Wärmeleiter. Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten liegt im allgemeinen ungefähr eine Zehnerpotenz über der von Gasen.

Es ist leicht zu erkennen, daß Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Das ist die Idee hinter der Styropor-Dämmung. Die Luftblasen zwischen den Styropor-Perlen leiten die Wärme nicht gut. Andererseits sind Metalle gute Wärmeleiter. Darum fühlt sich Metall kalt an, wenn Sie es berühren. Die Metallmoleküle führen nämlich die Körperwärme schnell von Ihrer Hand weg.

Aus der Tabelle ist auch zu entnehmen, daß Kupfer gegenüber Eisen der bessere Wärmeleiter ist. Bessere Kochtöpfe sind daher aus Kupfer oder haben im Topfboden einen Kupferkern.

Die Wärmekapazität gibt an, wie viele Joule eine Temperaturerhöhung von 1 °C bewirken. Dabei darf der Körper im Temperaturintervall zwischen Anfangs- und Endtemperatur keinen Phasenübergang (z. B. Verdampfen, Schmelzen) erfahren. Die spezifische Wärmekapazität bezieht die Wärmekapazität auf die Masse des Körper

 

Wetterhütte

Den Umstand, daß Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, machen sich auch die Meteorologen zu Nutze. Um ihre Temperaturmessungen nicht durch überhitzte bodennahe Luftschichten zu verfälschen, wird die Lufttemperatur in der sog. Wetterhütte und damit auch von direkter Sonnenstrahlung geschützt in 2 m Höhe gemessen.

 

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