Energietransfer

 

 

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Energietransfer

Unter Energietransfer oder -bertragung versteht man allgemein den Austausch von Energie ber eine Systemgrenze hinweg. Hierbei unterscheidet man zwischen einer Energiebertragung, ausgelst durch eine wirkende Kraft, was man als am System verrichtete Arbeit bezeichnet, und einer Energiebertragung, hervorgerufen durch einen Temperaturgradienten, was man als zwischen den thermisch gekoppelten Systemen ausgetauschte Wrme bezeichnet.

Es handelt sich in beiden Fllen um wegabhngige Prozegr秤en und nicht um Energieformen, wie beispielsweise mechanische Energie oder thermische Energie. Die Bilanz der Energiebertragungen eines Systems bezeichnet man als Energiebilanz.

 

Wrmebertragung

Wrmebertragung

Die Energiequelle fr unseren Planeten ist die Sonne. Die Energie der Sonne wird durch den Weltraum und durch die Atmosphre der Erde zur Erdoberflche bertragen. Da diese Energie die Oberflche der Erde und die Atmosphre erwrmt, erfolgt ein Teil der Strahlung in Form von Wrmeenergie oder wird zumindest zu Wrmeenergie.

Wrmebertragung ist also der Transport thermischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes ber mindestens eine Thermodynamische Systemgrenze hinweg. Thermische Energie ist der Teil der inneren Energie eines Krpers (Festkrper, Flssigkeiten und Gase), der in der Bewegung der Teilchen, aus denen diese Krper aufgebaut sind steckt. Die Energie ist eine mengenartige Gr秤e und kann auch transportiert werden. Diese transportierte Energie wird als Wrme bezeichnet und ist eine Prozegr秤e. Der Wrmebergang erfolgt in Richtung klterer Bereiche. Damit verbunden ist ein Wrmeausgleich ber die Systemgrenzen hinweg.

Die Wrmebertragung kann grundstzlich nur auf 3 Arten erfolgen:

  • Die Wrmestrahlung erfolgt durch sich ausbreitende elektromagnetische Wellen. Meist wird die Energie durch infrarote Wellen, die ein Teil des elektromagnetischen Spektrums sind, transportiert. Wrmestrahlung ist damit die bertragung innerer Energie durch elektromagnetische Wellen. Jeder Krper emittiert sog. Wrmestrahlung. Dabei gibt er thermische Energie ab. Gleichzeitig absorbiert jeder Krper Strahlung, die er vollstndig in thermische Energie umwandelt. Zwischen zwei Krpern bzw. zwischen einem Krper und seiner Umgebung strmt daher Energie stets in beide Richtungen. Es erfolgt somit nicht nur eine Wrmebertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm. Der Wrmestrom von warm nach kalt ist aber immer gr秤er als umgekehrt, so da der Netto-Wrmestrom als Differenz der beiden Wrmestrme immer von warm nach kalt zeigt. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied wird insgesamt immer weiter verringert. Wrmestrahlung ist die einzige Wrmebertragungsart, die kein bertrgermedium bentigt und daher auch durch materiefreien Raum (Vakuum) durchdringen kann.
    Wrmestrahlung ist also elektromagnetische Strahlung, die bei Absorption durch Materie in Wrme umgewandelt wird.
    Beispiel
    : Aufwrmung des Krpers durch Sonnenstrahlung 
  • Bei der Wrmeleitung oder Konduktion wird die innere Energie von der Materie weitergegeben, ohne da diese selbst mitbewegt wird. Bei der Wrmeleitung werden daher keine makroskopischen Vernderungen sichtbar. Wrmeleitung tritt auf in Festkrpern, Flssigkeiten oder Gasen, wobei kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Moleklen ohne Materialtransport bertragen wird. Der Wrmestrom fliet dabei  vom Ort hherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur. Diese Art der Wrmebertragung ist irreversibel und transportiert die Wrme stets vom Ort des hheren Energieniveaus (mit hherer Temperatur) zum Ort mit niedrigerem Niveau (mit niedrigerer Temperatur).
    Wrmeleitung ist also der Wrmetransfer von einer Substanz auf eine andere durch direkten Kontakt.
    Beispiel: Man berhrt eine heie Herdplatte.

 

Erklrungen im Teilchenmodell

Im Teilchenmodell lsst sich die Wrmeleitung wie folgt beschreiben: Festkrper, Flssigkeiten und Gas bestehen aus kleinen Teilchen. Die Teilchen fhren eine sog. thermische Bewegung aus. Je gr秤er die Temperatur eines Krpers, desto gr秤er ist die mittlere Geschwindigkeit und damit auch die mittlere kinetische Energie der Teilchen. Die Summe der kinetischen Energie aller Teilchen ist ein wesentlicher Teil der inneren Energie eines Krpers. Bei der Wechselwirkung mit den Nachbarteilchen wird kinetische Energie von einem Teilchen auf das Nachbarteilchen, von diesem auf das nchste Nachbarteilchen usw. bertragen. Die thermische Energie breitet sich aus.

  • In Festkrpern ist die Wechselwirkung zwischen den Gitteratomen sehr stark. Daher sind Festkrper relativ gute Wrmeleiter. Metalle leiten die innere Energie besonders gut, weil dort auch die freien Elektronen zur Wrmeleitung beitragen.
  • In Flssigkeiten sind die Bindungskrfte zwischen den Teilchen und damit auch die Wechselwirkung zwischen ihnen wesentlich schwcher. Die Energiebertragung erfolgt in der Hauptsache bei Stoprozessen. Flssigkeiten sind daher schlechtere Wrmeleiter.
  • In Gasen besteht keine Bindung zwischen den Teilchen. Die Energiebertragung erfolgt in vergleichsweise seltenen Stoprozessen. Deshalb sind Gase sehr schlechte Wrmeleiter.
  • Konvektion oder Wrmestrmung ist der Transport von innerer Energie durch Flssigkeiten oder Gase. Konvektion ist also stets mit der krperlichen Bewegung eines Transportmittels verbunden. In Festkrpern kann deshalb keine Konvektion stattfinden. Konvektion ist die Mitfhrung von thermischer Energie in strmenden Flssigkeiten oder Gasen. Der Strmungsproze kommt entweder wegen der rtlichen, temperaturbedingten Dichteunterschiede von allein in Gang (natrliche Konvektion; erwrmte Luft steigt auf) oder wird technisch z.B. durch Pumpen erzwungen. Bei der Konvektion knnen wesentlich gr秤ere Wrmestrme auftreten als bei der Wrmeleitung. Im Ergebnis wird Wrme von einem festen System auf ein strmendes Fluid bertragen und als innere Energie oder Enthalpie mitgefhrt oder es wird umgekehrt ein fester Krper von einem wrmeren Fluid angestrmt und 꼆ufgeheizt.
    Konvektion ist daher die Strmung von Materie (Gasen oder Flssigkeiten), welche Wrmeenergie mitfhrt.
    Beispiel
    : Warme Luft steigt auf.

Das Entstehen der natrlichen Konvektion:

Infolge der Erwrmung erhht sich die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen der Flssigkeit oder des Gases. Die erwrmte Flssigkeit bzw. das erwrmte Gas dehnt sich aus. Dadurch verringert sich  z.B. Dichte des Gases. Entsteht dabei nun eine labile Schichtung, wenn also das Gas mit der geringeren Dichte unten liegt, steigt das erwrmte Gas wegen der damit einhergehenden Auftriebskraft nach oben. Schlielich bildet sich eine entsprechende Strmung aus. Mit der strmenden Materie wird nun die innere Energie transportiert. Eine Zentralheizung ohne Umwlzpumpe arbeitet beispielsweise nach diesem Prinzip.

Mehr dazu steht im Kapitel Konvektion.

Meist wirken bei realen Systemen mehrere bertragungsarten zusammen. Falls dabei kein Phasenbergang stattfindet, ist die bertragung von Wrme immer mit einer Temperaturnderung verbunden und erfolgt stets in Richtung zur geringeren Temperatur. Innerhalb von Festkrpern findet nur Wrmeleitung statt, in Flssigkeiten und Gasen ist Wrmeleitung gekoppelt mit Wrmestrmung und -strahlung. Wrmestrahlung findet vorzugsweise zwischen Oberflchen, aber vor allem im Vakuum, statt.

 

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