Physik in unserem Leben/ Wärmeübertragung

Wenn wir mit den Händen Eis berühren, spüren wir, wie kalt es ist. Bald werden auch unsere Hände kalt. Es wird also Wärme von den Händen zum Eis übertragen, dabei beginnt das Eis zu schmelzen. Stellen wir uns jetzt vor, dass wir auf ein Stück Eis einen Tropfen heißes Wasser fallenlassen. Bald wird das Wasser kalt, vielleicht wird es sogar auch zu Eis, dabei wird sicher ein kleiner Teil des Eisstückes wärmer. Wir stellen also fest: Wärmeenergie wird von wärmeren zu kälteren Körpern übertragen, unabhängig davon, wie groß der kalte oder der warme Körper ist. Es gibt drei verschiedenen Weisen, in denen Wärmeenergie übertragen wird, Wärmeleitung (auch Konduktion genannt, also durch Teilchenstöße), Wärmeströmung (auch Konvektion genannt) und Wärmestrahlung.

Wärmeleitung, Wärmeleiter

Stell dir zwei Tennisbälle vor, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten aufeinander stoßen. Nach dem Zusammenstoß wird der Ball, der vorher schneller war, etwas langsamer, und der, der vorher langsamer war, wird etwas schneller.

Stell dir jetzt zwei Körper aus gleichem Material vor, zum Beispiel zwei Metallplatten. Die beiden Körper sollen verschiedene Temperaturen haben. Wir haben schon zwei Sachen erwähnt:

Die Temperatur zeigt, wie schnell sich die Atome des Körpers bewegen. Die Temperatur ist zur mittleren Geschwindigkeit direkt proportional.

Wärme wird von wärmeren zum kälteren Körpern übertragen.

Stellen wir uns nun die Atome als sehr sehr kleine Tennisbälle vor. Wir bringen die Metallplatten in Kontakt. Bei der wärmeren Platte schwingen die Atome schneller. Sie stoßen auf die langsameren Atome der kälteren Platte. Wie bei Tennisbällen werden die langsameren Atome der kalten Platte etwas schneller, also wird die Platte wärmer. Die schnelleren Atome in der warmen Platte werden langsamer, also wird die Platte kälter. Dieses Phänomen nennt man Wärmeleitung.

Wärmeleitung kann innerhalb eines Körpers auftreten. Wärmeleitung kann auch zwischen zwei (oder mehreren) Körpern auftreten, wenn diese einen guten flächigen Kontakt zueinander haben (was bei Festkörpern aufgrund der unebenen Oberflächen in der Praxis oft nicht einfach ist, was man feststellen kann, wenn man versucht, im Vakuum, also im leeren Raum, etwas per Wärmeleitung zu erhitzen oder zu kühlen). Wärmeleitung kann natürlich auch zwischen Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen auftreten. Wird zum Beispiel eine Seite eines Metallstabs erwärmt, dann wird bald auch die andere Seite warm. Das geht durch Wärmeleitung. Die Atome der einen Seite, die aufgewärmt wird, werden schneller und stoßen auf die Atome, die daneben angeordnet sind. Letztere werden dabei auch schneller und so weiter, bis die Atome im ganzen Stab schneller geworden sind. Größere mittlere Geschwindigkeit auch bei der andere Seite heißt also auch höhere Temperatur. Man sagt, dass Metalle gute Wärmeleiter sind. Nicht alle Stoffe sind gute Wärmeleiter. Holz etwa ist ein schlechter Wärmeleiter. Wenn man die eine Seite eines Holzstabs erwärmt, wird die andere nicht oder jedenfalls nur sehr langsam im Vergleich zu einem Metallstab warm.

In der Praxis funktioniert es zum Beispiel sehr gut, einen heißen Gegenstand mit fließendem kalten Wasser abzukühlen, weil auch das Wasser ein guter Wärmeleiter ist. Mit Gas wie etwa der Luft geht das deutlich langsamer, ist aber technisch einfacher. Um den Nachteil teilweise auszugleichen, bemüht man sich um eine große Oberfläche des heißen Gegenstandes, an welcher das Gas entlangströmen kann. Die Übertragung der Wärme vom Festkörper zur Flüssigkeit oder zum Gas erfolgt mit Wärmeleitung, der Abtransport dann mit der im nächsten Abschnitt erklärten Wärmeströmung. Die Kombination beider Effekte führt also letztlich zum gewünschten Ergebnis.

Weil Wasser eine gute Wärmeleitung hat und einfach verfügbar ist, haben viele technische Geräte, die gekühlt werden sollen, auch eine Wasserkühlung, man denke etwa an das Auto - der heiße Motor wird mit Wasser gekühlt und das Wasser im Kühler wiederum mit einer großen Oberfläche durch Luft. Hochleistungscomputer produzieren viel Wärme und werden daher teils auch mit Wasser oder sogar mit flüssigem Stickstoff gekühlt, während sich die Computer daheim meist mit Luft begnügen, was dann mit einem Ventilator oder Lüfter durch den Computer geblasen wird - die Teile des Computers, die besonders warm werden, haben dann zusätzliche Kühlrippen angeklebt, um die Oberfläche zu erhöhen, an der das Gas entlangströmen kann, um zu kühlen.

Wärmeströmung (Konvektion)

Wichtig: Wärmeströmung findet nur in Flüssigkeiten oder Gasen statt (nur in Fluiden), nicht in Festkörpern.

Du hast sicher mal kochendes Wasser gesehen. Füge noch vor dem Kochen etwas Reis hinzu und beobachte. Am Boden des Topfes ist anfangs das Wasser wärmer. Nach einer kleinen Weile merkst du, dass etwas den Reis bewegt oder sogar hochhebt. Das ist das warme Wasser, das aufsteigt. Warum steigt das Wasser auf? Die meisten Stoffe dehnen sich aus, wenn sie wärmer werden. Ausdehnen heißt aber weniger Moleküle oder Atome pro Volumeneinheit, also weniger Masse pro Volumeneinheit, also kleinere Dichte. Wie schon im Kapitel über Auftrieb beschrieben wurde, wenn ein Körper sich in einer Flüssigkeit oder einem Gas befindet, dessen Dichte größer als diejenige des Körpers ist, dann steigt der Körper auf. Also steigt auch das warme Wasser auf. Dadurch entsteht ein Wasserstrom von warmem Wasser nach oben, gleichzeitig aber wird kaltes Wasser von oben in die Stelle des aufsteigenden Wasser strömen. Dadurch wird Wärme von unten nach oben übertragen und das ist, was Wärmeströmung oder Konvektion heißt.

Wärmestrahlung

Halte deine Hand unter einer strahlenden Glühbirne (Vorsicht: nicht anfassen! Sie ist gewöhnlich zu heiß). Du spürst schon die Wärme. Halte jetzt ein Blatt Papier dazwischen. Du spürst die Wärme nicht mehr. Wenn es Wärmeleitung wäre, würde die Wärme durch das Papier übertragen. Wärmeströmung kann es auch nicht sein, weil die warme Luft eigentlich steigt und zudem nicht durch das Papier gelangen kann. Es muss also noch eine Art von Wärmeübertragung geben, und sie heißt Wärmestrahlung. Wärmestrahlung ist eine Lichtart, welche wir nicht ohne Hilfsmittel sehen können. Einige Tiere können allerdings Wärmestrahlung sehen oder wahrnehmen. Das kann sehr nützlich sein, um Beutetiere aufzuspüren, die deutlich wärmer als ihre Umgebung sind. Was hier wichtig ist:

Bei der Wärmestrahlung sind keine Atome notwendig, damit die Wärme übertragen wird.

Wärmestrahlung ist die einzige Art von Wärmeübertragung, die keinen Stoff braucht. Die ist sogar die einzige Art, in der die Wärme der Sonne uns erreicht. Es gibt da keine Wärmeleitung und keine Wärmeströmung, denn zwischen Erde und Sonne ist hauptächlich nichts, auch Vakuum genannt. Der Weltraum dazwischen ist also leer, deswegen kann man nachts bei wolkenfreiem Himmel auch viele andere Sterne sehen.