Wärmeleitung: Energietransport einfach erklärt

Die Wärmeleitung ist Energietransport durch feste Körper   

Die Wärmeleitung ist eine Form des Energietransports. Sie findet immer nur in eine Richtung statt: Und zwar von einem warmen, zu einem kälteren Ort beziehungsweise von einer Wärmequelle zu einer  Wärmesenke. Die Wärme wandert dabei über Teilchen, die relativ fest in ihrer Gitterstruktur sitzen. Thermische Energie versetzt die Teilchen in Bewegung und sie beginnen zu schwingen. Während das passiert, stoßen sie immer wieder mit ihren Nachbarn zusammen und geben einen Teil der Energie weiter. Spüren lässt sich das zum Beispiel an einem Stück Metall. Befindet sich ein Ende über einer Kerze, wandert die aufgenommene Energie in Form von Wärmeleitung sukzessive durch das Material. Während das andere Ende zu Beginn des Experiments noch kalt ist, steigt dessen Temperatur mit der Zeit.

Interessant ist, dass die Wärmeleitung auch in Gasen oder Flüssigkeiten auftritt. Dann allerdings nur, wenn die Stoffe in Ruhe sind. Bewegen und durchmischen sie sich, kommt es zur  Konvektion  (Wärmeströmung).  

Hohe Wärmeleitfähigkeit in elektrisch leitenden Materialien

Prädestiniert für eine gute Wärmeleitung sind Metalle, die auch elektrische Energie gut leiten. Grund dafür sind freie Elektronen, die überwiegend bei Metallen zu finden sind. Diese können sich frei in der Gitterstruktur bewegen und stoßen an vielen Stellen mit den schwingenden Teilchen zusammen. Auf diese Weise nehmen sie selbst Energie auf und geben diese an anderer Stelle wieder ab. Die Konduktion läuft somit schneller. Experten sprechen dabei auch von einem höheren Wärmestrom, was bedeutet, dass in der gleichen Zeit mehr Wärme übertragen wird.    

Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien im Vergleich   

Gute Wärmeleiter sind also Metalle wie Aluminium, Gold, Kupfer oder Stahl. Stoffe wie Beton, Styropor oder Luft leiten die Wärme hingegen deutlich schlechter. Sie eignen sich daher zum Beispiel als Wärmedämmstoff. Denn diese haben die Aufgabe, den Wärmetransport von einem System auf ein anderes zu unterbinden.

Kennzeichen dafür, wie gut die Wärmeleitung durch einen Stoff funktioniert, ist die  Wärmeleitfähigkeit  oder der Wärmeleitkoeffizient (Formelzeichen λ - Lambda). Sie lässt sich in Watt pro Meter und Kelvin angeben und ist höher, je schneller die Energie durch ein Material wandert. Sie wird auch dafür benutzt, um die sogenannte  Wärmestromdichte  zu berechnen.  

Unterschiede zu Wärmestrahlung und Wärmeströmung   

Neben der Wärmeleitung gibt es auch andere Formen der  Wärmeübertragung. Zu nennen sind dabei die Wärmestrahlung und die Wärmeströmung. Bei der Strahlung (auch thermische Strahlung) wandert thermische Energie in Form elektromagnetischer Wellen. Feste Körper, Flüssigkeiten oder Gase sind dabei nicht nötig. Das beweist auch die Strahlung der Sonne, durch die nämlich lebensnotwendige Energie auf die Erde gelangt. Bei der Wärmeströmung (auch Konvektion) geht es hingegen um den Energietransport über strömende Medien. Die Wärme geht dabei auf Teilchen von Flüssigkeiten oder Gasen über und wandert mit diesen von einem wärmeren zu einem kälteren Ort.

In der Praxis überlagern sich die unterschiedlichen Transportformen häufig. So spricht man vom Wärmedurchgang, wenn Energie von einem Fluid auf einen Feststoff durch diesen hindurch und anschließend auf ein anders Fluid übergeht. Praktisches Beispiel dafür ist die Hauswand, über die im Winter Wärme von innen an die kältere Umgebung – nach außen - verloren geht.

Praktische Beispiele für die Wärmeleitung aus dem Alltag   

In der Heizungstechnik ist die Wärmeleitung nicht immer erwünscht. Denn sie hat häufig einen Energieverlust und somit auch höhere Energiekosten zur Folge. Ein Beispiel dafür ist der Pufferspeicher. Dieser soll Wärme bevorraten, bis im Haus ein Bedarf besteht. Sind die Wandungen des Behälters besonders leitfähig, wandert die thermische Energie schnell von innen nach außen. Der Raumheizung steht so keine mehr zur Verfügung. Der Kessel muss nachliefern und verbraucht mehr Energie als nötig. Damit das nicht passiert, kommen Dämmstoffe zum Einsatz. Diese sind kaum leitfähig und umhüllen den Speicher wie eine dicke Jacke. Die Wärme bleibt drinnen und die Heizkosten sinken.

Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist hingegen bei einer  Flächenheizung  gewünscht. Denn diese muss die Heizwärme möglichst ungehindert an die Räume übergeben. Damit das funktioniert, kommen vor allem bei Dünnschicht-Systemen spezielle Wärmeleitbleche zum Einsatz. Diese umschließen einen Teil der Rohrleitungen und transportieren die thermische Energie an den Oberboden.