Energietransfer

 

 

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Energietransfer

Unter Energietransfer oder -übertragung versteht man allgemein den Austausch von Energie über eine Systemgrenze hinweg. Hierbei unterscheidet man zwischen einer Energieübertragung, ausgelöst durch eine wirkende Kraft, was man als am System verrichtete Arbeit bezeichnet, und einer Energieübertragung, hervorgerufen durch einen Temperaturgradienten, was man als zwischen den thermisch gekoppelten Systemen ausgetauschte Wärme bezeichnet.

Es handelt sich in beiden Fällen um wegabhängige Prozeßgrößen und nicht um Energieformen, wie beispielsweise mechanische Energie oder thermische Energie. Die Bilanz der Energieübertragungen eines Systems bezeichnet man als Energiebilanz.

 

Wärmeübertragung

Wärmeübertragung

Die Energiequelle für unseren Planeten ist die Sonne. Die Energie der Sonne wird durch den Weltraum und durch die Atmosphäre der Erde zur Erdoberfläche übertragen. Da diese Energie die Oberfläche der Erde und die Atmosphäre erwärmt, erfolgt ein Teil der Strahlung in Form von Wärmeenergie oder wird zumindest zu Wärmeenergie.

Wärmeübertragung ist also der Transport thermischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes über mindestens eine thermodynamische Systemgrenze hinweg. Thermische Energie ist der Teil der inneren Energie eines Körpers (Festkörper, Flüssigkeiten und Gase), der in der Bewegung der Teilchen, aus denen diese Körper aufgebaut sind steckt. Die Energie ist eine mengenartige Größe und kann auch transportiert werden. Diese transportierte Energie wird als Wärme bezeichnet und ist eine Prozeßgröße. Der Wärmeübergang erfolgt in Richtung kälterer Bereiche. Damit verbunden ist ein Wärmeausgleich über die Systemgrenzen hinweg.

Die Wärmeübertragung kann grundsätzlich nur auf 3 Arten erfolgen:

  • Die Wärmestrahlung erfolgt durch sich ausbreitende elektromagnetische Wellen. Meist wird die Energie durch infrarote Wellen, die ein Teil des elektromagnetischen Spektrums sind, transportiert. Wärmestrahlung ist damit die Übertragung innerer Energie durch elektromagnetische Wellen. Jeder Körper emittiert sog. Wärmestrahlung. Dabei gibt er thermische Energie ab. Gleichzeitig absorbiert jeder Körper Strahlung, die er vollständig in thermische Energie umwandelt. Zwischen zwei Körpern bzw. zwischen einem Körper und seiner Umgebung strömt daher Energie stets in beide Richtungen. Es erfolgt somit nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm. Der Wärmestrom von warm nach kalt ist aber immer größer als umgekehrt, so daß der Netto-Wärmestrom als Differenz der beiden Wärmeströme immer von warm nach kalt zeigt. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied wird insgesamt immer weiter verringert. Wärmestrahlung ist die einzige Wärmeübertragungsart, die kein Überträgermedium benötigt und daher auch durch materiefreien Raum (Vakuum) durchdringen kann.
    Wärmestrahlung ist also elektromagnetische Strahlung, die bei Absorption durch Materie in Wärme umgewandelt wird.
    Beispiel
    : Aufwärmung des Körpers durch Sonnenstrahlung 
  • Bei der Wärmeleitung oder Konduktion wird die innere Energie von der Materie weitergegeben, ohne daß diese selbst mitbewegt wird. Bei der Wärmeleitung werden daher keine makroskopischen Veränderungen sichtbar. Wärmeleitung tritt auf in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, wobei kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen ohne Materialtransport übertragen wird. Der Wärmestrom fließt dabei  vom Ort höherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur. Diese Art der Wärmeübertragung ist irreversibel und transportiert die Wärme stets vom Ort des höheren Energieniveaus (mit höherer Temperatur) zum Ort mit niedrigerem Niveau (mit niedrigerer Temperatur).
    Wärmeleitung ist also der Wärmetransfer von einer Substanz auf eine andere durch direkten Kontakt.
    Beispiel: Man berührt eine heiße Herdplatte.

 

Erklärungen im Teilchenmodell

Im Teilchenmodell lässt sich die Wärmeleitung wie folgt beschreiben: Festkörper, Flüssigkeiten und Gas bestehen aus kleinen Teilchen. Die Teilchen führen eine sog. thermische Bewegung aus. Je größer die Temperatur eines Körpers, desto größer 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 Körpers. Bei der Wechselwirkung mit den Nachbarteilchen wird kinetische Energie von einem Teilchen auf das Nachbarteilchen, von diesem auf das nächste Nachbarteilchen usw. übertragen. Die thermische Energie breitet sich aus.

  • In Festkörpern ist die Wechselwirkung zwischen den Gitteratomen sehr stark. Daher sind Festkörper relativ gute Wärmeleiter. Metalle leiten die innere Energie besonders gut, weil dort auch die freien Elektronen zur Wärmeleitung beitragen.
  • In Flüssigkeiten sind die Bindungskräfte zwischen den Teilchen und damit auch die Wechselwirkung zwischen ihnen wesentlich schwächer. Die Energieübertragung erfolgt in der Hauptsache bei Stoßprozessen. Flüssigkeiten sind daher schlechtere Wärmeleiter.
  • In Gasen besteht keine Bindung zwischen den Teilchen. Die Energieübertragung erfolgt in vergleichsweise seltenen Stoßprozessen. Deshalb sind Gase sehr schlechte Wärmeleiter.
  • Konvektion oder Wärmeströmung ist der Transport von innerer Energie durch Flüssigkeiten oder Gase. Konvektion ist also stets mit der körperlichen Bewegung eines Transportmittels verbunden. In Festkörpern kann deshalb keine Konvektion stattfinden. Konvektion ist die Mitführung von thermischer Energie in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen. Der Strömungsprozeß kommt entweder wegen der örtlichen, temperaturbedingten Dichteunterschiede von allein in Gang (natürliche Konvektion; erwärmte Luft steigt auf) oder wird technisch z.B. durch Pumpen erzwungen. Bei der Konvektion können wesentlich größere Wärmeströme auftreten als bei der Wärmeleitung. Im Ergebnis wird Wärme von einem festen System auf ein strömendes Fluid übertragen und als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt oder es wird umgekehrt ein fester Körper von einem wärmeren Fluid angeströmt und „aufgeheizt“.
    Konvektion ist daher die Strömung von Materie (Gasen oder Flüssigkeiten), welche Wärmeenergie mitführt.
    Beispiel
    : Warme Luft steigt auf.

Das Entstehen der natürlichen Konvektion:

Infolge der Erwärmung erhöht sich die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen der Flüssigkeit oder des Gases. Die erwärmte Flüssigkeit bzw. das erwärmte 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 erwärmte Gas wegen der damit einhergehenden Auftriebskraft nach oben. Schließlich bildet sich eine entsprechende Strömung aus. Mit der strömenden Materie wird nun die innere Energie transportiert. Eine Zentralheizung ohne Umwälzpumpe arbeitet beispielsweise nach diesem Prinzip.

Mehr dazu steht im Kapitel Konvektion.

Meist wirken bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Falls dabei kein Phasenübergang stattfindet, ist die Übertragung von Wärme immer mit einer Temperaturänderung verbunden und erfolgt stets in Richtung zur geringeren Temperatur. Innerhalb von Festkörpern findet nur Wärmeleitung statt, in Flüssigkeiten und Gasen ist Wärmeleitung gekoppelt mit Wärmeströmung und -strahlung. Wärmestrahlung findet vorzugsweise zwischen Oberflächen, aber vor allem im Vakuum, statt.

 

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