Wärme – Definition und Grundlagen

Was ist Wärme? – Eine Definition

Auch wenn umgangssprachlich häufig davon die Rede ist, dass Energie produziert wird oder verloren geht, ist dies rein wissenschaftlich betrachtet, falsch. Denn Energie wird umgewandelt und geht von einer Form in eine andere über. In der Physik spricht man dabei vom sogenannten Energieerhaltungssatz. Dennoch werden die anderen Beschreibungen benutzt, um sich die Vorgänge besser vorstellen zu können.

Diese Umwandlung und damit das Übertragen sind wichtig, wenn sich der Blick auf das Thema Wärme richtet. Diese ist nämlich eine sogenannte  Prozessgröße  und beschreibt, anders als in der Umgangssprache keinen Zustand, sondern einen Vorgang. Dabei handelt es sich um eine Energieübertragung von einem Körper auf einen anderen. Wird also ein Körper kälter, wird der andere wärmer. Anders ausgedrückt: bei einem Objekt verringert sich die  thermische Energie  beim anderen vergrößert sie sich im Zuge dessen. Dies passiert jedoch nur, wenn einerseits keine Energie weiter zugeführt wird und andererseits keine abgeht.

Somit wird die Wärme physikalisch betrachtet nicht in Grad Celsius oder Kilowatt angegeben, sondern in  Joule (J). Das  Formelzeichen  ist im Übrigen:  Q.  

Gibt es verschiedene Formen der Wärmeübertragung?

Wenn Wärme von einem Körper auf einen anderen übergeht, kann dies auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Grundsätzliche Voraussetzung dafür ist, dass eine Temperaturdifferenz bestehen muss. Das heißt, der Transport von Wärme findet nur dort statt, wo zwischen den Körpern oder zwischen einem Körper und seiner Umgebung ebendieser Unterschied vorliegt. Dabei  überträgt sich die Wärme auf dreierlei Arten immer vom höheren zum niederen Temperaturniveau:

• Strömung
  
• Leitung
  
• Strahlung
  

Auswirkungen der Wärme auf einen Körper

Erfolgt eine  Wärmeübertragung  kann dies unterschiedliche Auswirkungen auf die Körper haben. Die simpelste Folge ist, wie bereits erwähnt, wenn sich die Temperatur eines Körpers oder Stoffes erhöht und die des anderen verringert. Daneben besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass sich der Aggregatzustand ändert. Zum Beispiel verdampft Wasser, wenn es eine bestimmte Temperatur erreicht oder Eis wird wieder flüssig, wenn Wärme auf dieses Objekt übergeht. Ebenso kann sich das Volumen ändern. Eine weitere Auswirkung betrifft überwiegend Flüssigkeiten und Gas in geschlossenen Gefäßen. Denn durch die Wärmeübertragung kann sich in diesen Fällen der Druck des Stoffes verändern.  

Wärmeleitung

Wärme strömt bei dieser Form der Übertragung von einer Stelle mit höherem Temperaturniveau zu einem niederen. Das kann innerhalb eines Stoffes vonstatten gehen oder von einem Körper auf einen anderen. Ein ganz einfaches Beispiel: Hält man einen Löffel über eine Kerze, kann man diesen zu Beginn noch anfassen, erwärmt sich mit der Zeit der Griff stark. Die Wärmeleitung ist unter anderem zu beobachten bei Töpfen auf dem Herd sowie ganz einfach auch beim Umrühren des Kaffees mit einem Löffel. Dabei ist die Richtung der Leitung unumkehrbar. Das heißt, die Wärme würde niemals von selbst von der kälteren zur wärmeren Stelle zurückfließen.

Voraussetzung für die Wärmeleitung ist die Leitfähigkeit des Materials. Wie jeder aus der eigenen Erfahrung weiß, ist diese bei Metallen in der Regel am besten. 

Wo Wärmeleitung erwünscht und wo sie unerwünscht ist

Der Vorgang der Leitung thermischer Energie ist in der Heiztechnik besonders bei den Wärmeübertragern erwünscht. Deshalb ist es auch nicht verwunderlich, dass diese aus Metall gefertigt werden. Denn über diese Schnittstelle geht die Wärme aus den Kessel in das restliche Heizsystem über, wo es via Heizungsrohre im gesamten Haus verteilt wird. An anderer Stelle im Gebäude ist dieser Vorgang nicht erwünscht – nämlich bei der Gebäudehülle. Deshalb wird gedämmt, um dies weitestgehend zu vermeiden. Dabei ist unter anderem die sogenannte Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe zu berücksichtigen. Also wie viel Wärme lässt das Material durch. 

Wärme verteilt sich via Luftströmung

Wird von der Wärmeströmung gesprochen, meint dies die sogenannte Konvektion. Hier geht es um das Mitführen von Wärme über eine strömende Flüssigkeit oder ein Gas. Dabei findet eine Umwälzung statt. Die Auswirkungen bestimmter Strömungen spürt jeder tagtäglich. Denn Luftströmungen vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet bestimmen das Wetter. Aber auch Strömungen im Wasser haben ähnliche Auswirkungen wie zum Beispiel der Golfstrom.

Wie viel Wärme durch Konvektion übertragen wird, ist von den folgenden Parametern abhängig:

• Stoff
  
• Fläche
  
• Temperaturunterschied
  
• Strömungsgeschwindigkeit
  
• Zeit
  

Verschiedene Formen der Konvektion

Folgende Arten der Konvektion sind zu unterscheiden:

• Die erzwungene Konvektion
  
• Die freie Konvektion
  

Bei der freien Form wird die Konvektion allein durch den Temperaturunterschied angetrieben. Geht es um die erzwungene Variante kommen unter anderem Ventilatoren oder Pumpen ins Spiel. In einem Heizlüfter ist zum Beispiel ein Gebläse eingebaut. In Zentralheizungen kommen Pumpen zum Einsatz wie die Umwälzpumpe, die ihre Funktion bereits im Namen trägt. Diese Pumpen bewirken, dass die Wärme über das Heizwasser schneller vom Ort mit hoher Temperatur zum Ort mit niedrigerer bewegt wird. Früher gab es auch Systeme, die nur mit freier Konvektion gearbeitet haben – die Schwerkraftsysteme.

Heizungstypen, die vor allem mithilfe der Luftströmung Wärme an ihre Umgebung übertragen, sind Konvektoren wie Heizlüfter oder Radiatoren wie Gliederheizkörper. Letztgenannte übertragen Wärme via Konvektion und Strahlung.

Wärmeabgabe in Form von Strahlung

Bei der Wärmestrahlung erfolgt die Übertragung mittels der sogenannten  Infrarotstrahlung  beziehungsweise von elektromagnetischen Wellen. Als Besonderheit kann sich diese auch im Vakuum ausbreiten. Auf diese Weise wärmt die Sonne auch die Erde. Denn die wichtigste Quelle dieser Form der Übertragung von thermischer Energie ist die Sonne. Dabei entfallen 38 Prozent der Sonnenstrahlen auf die Wärmestrahlung und 48 Prozent auf sichtbares Licht. Der Rest wird über ultraviolettes Licht und andere Strahlungsarten definiert.  

Doch wie funktioniert die Wärmestrahlung genau?

Wenn Wärme in Form von Strahlung auf einen Körper trifft, passieren drei Vorgänge gleichzeitig. Zum einen wird die Wärme reflektiert und zum anderen absorbiert, also aufgenommen. Der letzte Teil der Strahlung geht jedoch teilweise durch den Körper hindurch. Wie hoch die Anteile jeweils sind, ist von unterschiedlichen Faktoren abhängig wie:

• der Stoff, das Material selbst
  
• die Schichtdicke, auf die die Wärmestrahlung wirkt
  
• die Beschaffenheit der Oberfläche des Körpers
  
• Größe beziehungsweise Fläche des Körpers  
  

Anwendung der Wärmestrahlung in der Heiztechnik

Wärmestrahlung wird von den meisten Menschen als sehr angenehm empfunden, denn es findet keine Luftströmung statt. Die Wärme wird vom Körper selbst absorbiert. Deshalb hat die Heiztechnik diesen Effekt genutzt. Anwendung findet er vor allem bei den sogenannten Infrarotheizungen. Diese werden in der Regel elektrisch betrieben und können mittlerweile sehr vielfältig eingesetzt werden wie zum Beispiel als Spiegelheizung oder als Designobjekt. Umliegende Körper sowie Flächen nehmen diese Wärme auf und können sie je nach Beschaffenheit über einen längeren Zeitraum abgeben. Daneben ist auch die wasserführende Flächenheizung zu erwähnen. Sie bietet unter anderem den Vorteil, dass die empfundene Temperatur sich aus dem Mittel der Temperatur der Umfassungsflächen und der Lufttemperatur selbst zusammensetzt. Das hat zur Folge, dass die Lufttemperatur abgesenkt wird, was wiederum die Wärmeverluste über die Gebäudehülle reduziert und so beim Energiesparen hilft.

Aber auch Gliederheizkörper, die häufig auch als Radiator bezeichnet werden, nutzen diesen Effekt und transportieren einen Teil der Wärme über Strahlung.