Die Wissenschaft der Wärmeübertragung: Was ist Konduktion?
Wärme ist eine interessante Form von Energie. Sie erhält nicht nur das Leben, sorgt für unser Wohlbefinden und hilft uns bei der Zubereitung von Speisen, sondern das Verständnis ihrer Eigenschaften ist der Schlüssel zu vielen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung. Die Kenntnis der Wärmeübertragung und des Ausmaßes, in dem verschiedene Materialien Wärmeenergie austauschen können, ist beispielsweise ausschlaggebend für den Bau von Heizgeräten, das Verständnis des jahreszeitlichen Wandels und den Einsatz von Schiffen im Weltraum.
Wärme kann nur auf drei Arten übertragen werden: durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Von diesen ist die Wärmeleitung vielleicht die gebräuchlichste und kommt in der Natur regelmäßig vor. Kurz gesagt, es handelt sich um die Übertragung von Wärme durch physischen Kontakt. Sie findet statt, wenn man die Hand auf eine Fensterscheibe drückt, wenn man einen Topf mit Wasser auf ein aktives Element stellt und wenn man ein Bügeleisen ins Feuer stellt.
Diese Übertragung findet auf molekularer Ebene statt – von einem Körper zum anderen -, wenn Wärmeenergie von einer Oberfläche absorbiert wird und die Moleküle dieser Oberfläche dazu bringt, sich schneller zu bewegen. Dabei stoßen sie mit ihren Nachbarn zusammen und übertragen die Energie auf sie, ein Prozess, der so lange andauert, wie Wärme zugeführt wird.
Der Prozess der Wärmeleitung hängt von vier grundlegenden Faktoren ab: dem Temperaturgradienten, dem Querschnitt der beteiligten Materialien, ihrer Weglänge und den Eigenschaften dieser Materialien.
Ein Temperaturgradient ist eine physikalische Größe, die beschreibt, in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Temperatur an einem bestimmten Ort ändert. Die Temperatur fließt immer von der wärmsten zur kältesten Quelle, denn Kälte ist nichts anderes als die Abwesenheit von Wärmeenergie. Diese Übertragung zwischen Körpern setzt sich fort, bis der Temperaturunterschied abnimmt und ein Zustand eintritt, der als thermisches Gleichgewicht bezeichnet wird.
Querschnitt und Weglänge sind ebenfalls wichtige Faktoren. Je größer das an der Übertragung beteiligte Material ist, desto mehr Wärme wird benötigt, um es zu erwärmen. Je größer die Oberfläche ist, die der Luft ausgesetzt ist, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit von Wärmeverlusten. Daher sind kürzere Objekte mit kleinerem Querschnitt das beste Mittel, um den Verlust von Wärmeenergie zu minimieren.
Zuletzt, aber sicherlich nicht zuletzt, sind die physikalischen Eigenschaften der beteiligten Materialien zu berücksichtigen. Grundsätzlich sind bei der Wärmeleitung nicht alle Stoffe gleich gut. Metalle und Stein gelten als gute Wärmeleiter, da sie Wärme schnell übertragen können, während Materialien wie Holz, Papier, Luft und Stoffe schlechte Wärmeleiter sind.
Diese leitenden Eigenschaften werden anhand eines „Koeffizienten“ bewertet, der relativ zu Silber gemessen wird. In dieser Hinsicht hat Silber einen Wärmeleitkoeffizienten von 100, während andere Materialien niedriger eingestuft werden. Dazu gehören Kupfer (92), Eisen (11), Wasser (0,12) und Holz (0,03). Am anderen Ende des Spektrums befindet sich ein perfektes Vakuum, das keine Wärme leiten kann und daher mit Null bewertet wird.
Materialien, die Wärme schlecht leiten, werden als Isolatoren bezeichnet. Luft, die einen Leitungskoeffizienten von 0,006 hat, ist ein hervorragender Isolator, da sie in einem geschlossenen Raum eingeschlossen werden kann. Aus diesem Grund werden bei künstlichen Isolatoren Luftkammern verwendet, wie z. B. bei Doppelglasfenstern, die zur Senkung der Heizkosten eingesetzt werden. Im Grunde genommen dienen sie als Puffer gegen Wärmeverluste.
Feder, Fell und Naturfasern sind Beispiele für natürliche Dämmstoffe. Diese Materialien ermöglichen es Vögeln, Säugetieren und Menschen, warm zu bleiben. Seeotter zum Beispiel leben in oft sehr kalten Meeresgewässern und ihr üppiges, dickes Fell hält sie warm. Andere Meeressäugetiere wie Seelöwen, Wale und Pinguine verlassen sich auf dicke Fettschichten (auch Blubber genannt) – ein sehr schlechter Wärmeleiter – um den Wärmeverlust durch ihre Haut zu verhindern.
Diese Logik wird auch bei der Isolierung von Häusern, Gebäuden und sogar Raumfahrzeugen angewandt. In diesen Fällen werden entweder Lufteinschlüsse zwischen den Wänden, Glasfasern (die Luft in sich einschließen) oder hochdichter Schaum verwendet. Ein Sonderfall sind Raumfahrzeuge, bei denen die Isolierung in Form von Schaumstoff, verstärktem Kohlenstoffverbundmaterial und Siliziumdioxid-Faserplatten erfolgt. Alle diese Materialien sind schlechte Wärmeleiter und verhindern daher, dass Wärme im Weltraum verloren geht und dass die extremen Temperaturen, die beim Wiedereintritt in die Atmosphäre entstehen, in die Kabine der Besatzung eindringen.
Sehen Sie sich dieses Video an, das die Wärmekacheln im Space Shuttle zeigt:
Die Gesetze, die die Wärmeleitung regeln, ähneln sehr stark dem Ohmschen Gesetz, das die elektrische Leitung regelt. In diesem Fall ist ein guter Leiter ein Material, durch das elektrischer Strom (d.h. Elektronen) ohne große Schwierigkeiten fließen kann. Ein elektrischer Isolator hingegen ist ein Material, dessen innere elektrische Ladungen nicht frei fließen und es daher sehr schwer machen, einen elektrischen Strom unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu leiten.
In den meisten Fällen sind Materialien, die schlechte Wärmeleiter sind, auch schlechte Stromleiter. Kupfer beispielsweise leitet sowohl Wärme als auch Elektrizität gut, weshalb Kupferdrähte bei der Herstellung von Elektronik so häufig verwendet werden. Gold und Silber sind sogar noch besser, und wo der Preis keine Rolle spielt, werden diese Materialien auch beim Bau von Stromkreisen verwendet.
Und wenn man eine Ladung „erden“ (d. h. neutralisieren) will, schickt man sie durch eine physische Verbindung zur Erde, wo die Ladung verloren geht. Dies ist bei Stromkreisen üblich, bei denen freiliegendes Metall eine Rolle spielt, um sicherzustellen, dass Personen, die versehentlich damit in Berührung kommen, keinen Stromschlag erleiden.
Isolierende Materialien, wie Gummi an den Schuhsohlen, werden getragen, um sicherzustellen, dass Personen, die mit empfindlichen Materialien oder in der Nähe von Stromquellen arbeiten, vor elektrischen Ladungen geschützt sind. Andere Isoliermaterialien wie Glas, Polymere oder Porzellan werden häufig bei Stromleitungen und Hochspannungsübertragern verwendet, um den Stromfluss in den Schaltkreisen aufrechtzuerhalten (und nichts anderes!)
Kurz gesagt, Leitung bedeutet die Übertragung von Wärme oder die Übertragung einer elektrischen Ladung. Beides geschieht aufgrund der Fähigkeit einer Substanz, Molekülen die Möglichkeit zu geben, Energie zu übertragen.
Wir haben für Universe Today viele Artikel über Wärmeleitung geschrieben. Schauen Sie sich diesen Artikel über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik oder diesen über statische Elektrizität an.
Wenn Sie mehr über Wärmeleitung wissen möchten, schauen Sie sich den BBC-Artikel über Wärmeübertragung an, und hier ist ein Link zum Physik-Hypertextbuch.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast über Magnetismus aufgenommen – Episode 42: Magnetism Everywhere.