12 Beispiele für Wärmeenergie im Alltag
Wärmeenergie ist die Energie, die ein Objekt aufgrund der Bewegungen von Teilchen innerhalb des Objekts besitzt. Sie ist die interne kinetische Energie des Objekts, die aus den zufälligen Bewegungen der Moleküle und Atome des Objekts stammt.
Die Moleküle und Atome, aus denen die Materie besteht, bewegen sich zwar ständig, aber wenn sich ein Objekt erwärmt, führt der Temperaturanstieg dazu, dass sich diese Teilchen schneller bewegen und miteinander kollidieren. Je schneller sich diese Teilchen bewegen, desto höher ist die thermische Energie des Objekts.
Sie lässt sich mathematisch als das Produkt aus der Boltzmann-Konstante (kB) und der absoluten Temperatur (T) darstellen.
Thermische Energie = kBT
Der Begriff „thermische Energie“ kann auch auf die durch einen Wärmestrom übertragene Wärmemenge oder Energie angewendet werden.
Thermische Energie (oder Wärmeenergie) kann durch drei Prozesse von einem Körper auf einen anderen übertragen werden –
- Konduktion: ist die häufigste Form der Wärmeübertragung, die durch physischen Kontakt erfolgt: Die internen Energieübertragungen aufgrund der mikroskopischen Zusammenstöße von Teilchen und der Bewegung von Elektronen innerhalb eines Körpers.
- Konvektion: ist die Übertragung von Wärme von einer Region zu einer anderen durch die Bewegung von Flüssigkeiten, wie Flüssigkeiten und Gasen.
- Strahlung: ist die Übertragung von Energie in Form von Teilchen oder Wellen durch den Raum oder ein Medium. Je heißer ein Objekt ist, desto mehr Wärmeenergie strahlt es ab.
Um dieses Phänomen besser zu erklären, haben wir einige der besten Beispiele für Wärmeenergie zusammengestellt, die Sie im Alltag sehen.
Solarenergie
Art der Wärmeübertragung: Strahlung
Die Sonne ist eine nahezu perfekte Kugel aus heißem Plasma, die durch Milliarden von chemischen Reaktionen Wasserstoff in Helium umwandelt, was schließlich eine große Menge an Wärme erzeugt.
Anstatt in der Nähe der Sonne zu bleiben, strahlt die Wärme vom Stern weg in den Weltraum. Ein kleiner Teil dieser Energie (Wärme) erreicht die Erde in Form von Licht. Es besteht hauptsächlich aus infrarotem, sichtbarem und ultraviolettem Licht. Die Übertragung von Wärmeenergie auf diese Weise wird als Wärmestrahlung bezeichnet.
Ein Teil der Wärmeenergie durchdringt die Erdatmosphäre und erreicht den Boden, ein anderer Teil wird durch Wolken blockiert oder von anderen Objekten reflektiert. Das Sonnenlicht, das die Oberfläche der Erde erreicht, erwärmt sie.
Nach Angaben der Universität von Oregon empfängt die gesamte Erde während eines 24-Stunden-Tages durchschnittlich 164 Watt pro Quadratmeter. Das bedeutet, dass der gesamte Planet 84 Terawatt an Energie erhält.
Schmelzendes Eis
Art der Wärmeübertragung: Konvektion
Wärmeenergie fließt immer von Regionen mit höherer Temperatur zu Regionen mit niedrigerer Temperatur. Wenn Sie zum Beispiel Eiswürfel in Ihr Getränk geben, fließt die Wärme von der Flüssigkeit zu den Eiswürfeln.
Die Temperatur der Flüssigkeit sinkt, wenn die Wärme vom Getränk zum Eis übertragen wird. Die Wärme wandert weiter in den kältesten Bereich des Getränks, bis sie ein Gleichgewicht erreicht. Dieser Wärmeverlust bewirkt, dass die Temperatur des Getränks sinkt.
Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff als Input benötigt
Wärmeübertragung: Hängt von der Art der Brennstoffzelle ab
Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die die chemische Energie eines Brennstoffs und eines oxidierenden Gases in elektrische Energie umwandeln. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird ein erheblicher Teil der zugeführten Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, der verbleibende Teil wird jedoch je nach Art der Brennstoffzelle in Wärmeenergie umgewandelt.
Die bei diesem Prozess entstehende Wärme wird zur Steigerung der Energieeffizienz genutzt. Theoretisch sind Brennstoffzellen weitaus energieeffizienter als herkömmliche Verfahren: Wenn die Abwärme in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem aufgefangen wird, können Wirkungsgrade von bis zu 90 % erreicht werden.
Geothermische Energie
Art der Wärmeübertragung: Mantelkonvektion
Geothermische Energie ist die Wärme, die im Untergrund der Erde entsteht. Sie ist in den Flüssigkeiten und Gesteinen unter der Erdkruste enthalten und kann tief unten im heißen geschmolzenen Gestein der Erde, dem Magma, gefunden werden.
Sie wird durch den radioaktiven Zerfall von Materialien und den kontinuierlichen Wärmeverlust bei der Entstehung des Planeten erzeugt. Die Temperatur und der Druck an der Kern-Mantel-Grenze können mehr als 4000°C und 139 GPa erreichen, was dazu führt, dass einige Gesteine schmelzen und der feste Mantel sich plastisch verhält.
Das führt dazu, dass Teile des Mantels nach oben konvektieren (da das geschmolzene Gestein leichter ist als das umgebende feste Gestein). Dampf und/oder Wasser transportieren die geothermische Energie an die Erdoberfläche, von wo aus sie zu Kühl- und Heizzwecken genutzt oder zur Erzeugung von sauberem Strom verwendet werden kann.
Wärmeenergie im Meer
Art der Wärmeübertragung: Konvektion und Konduktion
Die Ozeane haben jahrzehntelang mehr als 9/10 der überschüssigen Wärme der Atmosphäre aus Treibhausgasemissionen absorbiert. Einer Studie zufolge hat sich der Ozean in den letzten zehn Jahren um 0,5 bis 1 Watt Energie pro Quadratmeter erwärmt.
Die Ozeane haben ein unglaubliches Potenzial zur Speicherung von Wärmeenergie. Da ihre Oberflächen über längere Zeiträume direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, besteht ein enormer Temperaturunterschied zwischen den flachen und tiefen Meeresregionen.
Dieser Temperaturunterschied kann genutzt werden, um eine Wärmekraftmaschine zu betreiben und Strom zu erzeugen. Diese Art der Energieumwandlung, bekannt als ozeanische thermische Energieumwandlung, kann kontinuierlich betrieben werden und kann verschiedene Nebenindustrien unterstützen.
Solarkocher
Art der Wärmeübertragung: Strahlung und Konduktion
Ein Solarkocher ist ein kostengünstiges Gerät, das die Energie des direkten Sonnenlichts zum Erhitzen, Kochen oder Pasteurisieren von Getränken und anderen Lebensmitteln nutzt. An einem sonnigen Tag kann er eine Temperatur von bis zu 400°C erreichen.
Alle Solarkocher funktionieren nach drei Grundprinzipien:
- Konzentrieren Sie das Sonnenlicht: Das Gerät enthält eine verspiegelte Oberfläche, um das Licht der Sonne auf eine kleine Kochfläche zu konzentrieren.
- Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln: Wenn Licht auf ein Empfängermaterial (Kochtopf) fällt, wandelt es Licht in Wärme um, was wir als Wärmeleitung bezeichnen.
- Wärmeenergie einfangen: Ein Glasdeckel isoliert die Luft im Inneren des Kochers von der Außenluft, wodurch die Konvektion (Wärmeverlust) minimiert wird.
Rubbing Your Hand Together
Art der Wärmeübertragung: Konduktion
Wenn man die Hände aneinander reibt, wird durch Reibung mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die mechanische Energie bezieht sich auf die Bewegung der Hände.
Da Reibung durch die elektromagnetische Anziehung zwischen geladenen Teilchen in zwei sich berührenden Oberflächen entsteht, führt das Aneinanderreiben der Hände zu einem Austausch elektromagnetischer Energie zwischen den Molekülen unserer Hände. Dies führt zu einer thermischen Anregung der Handmoleküle, die letztlich Energie in Form von Wärme erzeugt.
Wärmekraftmaschine
Art der Wärmeübertragung: Konvektion
Eine Wärmekraftmaschine wandelt thermische Energie in mechanische Energie um, die dann zur Verrichtung mechanischer Arbeit verwendet werden kann. Der Motor nimmt die Energie der Wärme (im Vergleich zur Umgebung) auf und setzt sie in Bewegung um.
Je nach Art des Motors werden unterschiedliche Verfahren angewandt, wie z.B. die Nutzung von Energie aus nuklearen Prozessen zur Wärmeerzeugung (Uran) oder die Zündung von Brennstoff durch Verbrennung (Kohle oder Benzin). Bei allen Verfahren ist das Ziel dasselbe: Wärme in Arbeit umzuwandeln.
Alltägliche Beispiele für Wärmekraftmaschinen sind die Dampflokomotive, der Verbrennungsmotor und das Wärmekraftwerk. Sie alle werden durch die Ausdehnung von erhitzten Gasen angetrieben.
Brennende Kerze
Art der Wärmeübertragung: Konduktion, Konvektion, Strahlung
Kerzen machen Licht, indem sie Wärme erzeugen. Sie wandeln chemische Energie in Wärme um. Die chemische Reaktion wird als Verbrennung bezeichnet, bei der das Kerzenwachs mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und ein farbloses Gas namens Kohlendioxid sowie eine kleine Menge Wasserdampf erzeugt.
Der Wasserdampf wird im blauen Teil der Flamme erzeugt, wo das Wachs mit viel Sauerstoff sauber brennt. Da aber kein Wachs perfekt verbrennt, entsteht auch ein wenig Rauch (Aerosol) im hellen, gelben Teil der Flamme.
Während des gesamten Prozesses absorbiert der Docht das Wachs und brennt, um Licht und Wärmeenergie zu erzeugen.
Elektrische Toaster
Art der Wärmeübertragung: Wärmestrahlung
Ein elektrischer Toaster nimmt elektrische Energie auf und wandelt sie sehr effizient in Wärme um. Er besteht aus Reihen dünner Drähte (Filamente), die weit genug voneinander entfernt sind, um die gesamte Brotoberfläche zu toasten.
Wenn Strom durch den Draht fließt, wird Energie von einem Ende zum anderen übertragen. Diese Energie wird von Elektronen transportiert. Dabei stoßen die Elektronen untereinander und mit den Atomen im Metalldraht zusammen und geben Wärme ab. Je größer der elektrische Strom und je dünner der Draht, desto mehr Zusammenstöße finden statt und desto mehr Wärme wird erzeugt.
Moderne Heizungssysteme
Art der Wärmeübertragung: Konvektion
Zwei gängige Arten von Heizsystemen in Gebäuden sind Warmluft- und Warmwasserheizungen. Die erste nutzt thermische Energie, um die Luft zu erwärmen, und lässt sie dann durch ein System von Kanälen und Registern zirkulieren. Die warme Luft strömt aus den Kanälen und zirkuliert durch die Räume, wobei sie die kalte Luft verdrängt.
Die zweite Art nutzt die Wärmeenergie, um Wasser zu erhitzen, das dann durch ein System von Rohren und Heizkörpern durch das Gebäude gepumpt wird. Der heiße Heizkörper strahlt die Wärmeenergie an die Umgebungsluft ab. Die warme Luft bewegt sich dann in Konvektionsströmen durch die Räume.
Lesen Sie: 10 beste Beispiele für kinetische Energie
CPUs und andere elektrische Komponenten
Ein lüftergekühlter Kühlkörper am Prozessor
Art der Wärmeübertragung: Konvektion und Konduktion
CPU, GPU und System auf einem Chip geben aufgrund des Widerstands in elektronischen Schaltkreisen Energie in Form von Wärme ab. Grafikprozessoren in Laptops/Desktops verbrauchen und leiten aufgrund ihrer höheren Komplexität und Geschwindigkeit deutlich mehr Energie ab als mobile Prozessoren.
Lesen Sie: 14 beste Beispiele für Konvektion mit einfacher Erklärung
Viele verschiedene Arten von Kühlsystemen werden verwendet, um Mikroprozessoren auf optimalen Temperaturen zu halten. Ein herkömmliches Desktop-CPU-Kühlsystem ist beispielsweise so ausgelegt, dass es bis zu 90 Watt Wärme abführt, ohne die maximale Sperrschichttemperatur für die Desktop-CPU zu überschreiten.