Wärmeübertragung: Transport thermischer Energie

Erklärung der Wärmeübertragung

Wärmeübertragung heißt: Thermische Energie wird über die Grenzen unterschiedlicher Systeme transportiert. Antrieb für diesen physikalischen Prozess ist dabei ein Temperaturunterschied, der zwischen strömenden Medien oder festen Körpern besteht. Dabei gilt generell, dass Wärme nur vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt. 

Ausnahme: Wärmepumpe zur Beheizung von Gebäuden

Soll die Umweltenergie zum Beispiel aus dem Erdreich – die mit etwa 10 Grad Celsius gewonnen wird – auch zum Heizen genutzt werden, ist eine Wärmepumpe nötig. Die Heizungsart hebt das Niveau an und ermöglicht die Wärmeübertragung auf das Heizsystem. Durch den Transport der thermischen Energie verändern sich die Zustände aller beteiligten Stoffe. Während die Temperatur des Gebers in der Regel fällt, steigt die des Empfängers der Wärme an. Eventuell können sich dabei auch die Aggregatzustände der Stoffe ändern. Gibt Wasser zum Beispiel viel Wärme ab, wird es zu Eis. Nimmt es dagegen viel Wärme auf, wird es zu Dampf.

Arten der Wärmeübertragung

Grundsätzlich lassen sich heute verschiedene Arten der Wärmeübertragung unterscheiden. Diese sind: 

• die Wärmeleitung
• die Wärmestrahlung
• die Wärmeübertragung durch Konvektion

Die Wärmeleitung

Die Wärmeleitung beschreibt den Transport thermischer Energie zwischen benachbarten Atomen. Möglich ist das zum Beispiel in ruhenden Fluiden (Gasen oder Flüssigkeiten) oder festen Körpern, wobei die Wärme ohne Verluste immer vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt. Einfach nachvollziehen kann man das zum Beispiel, wenn man einen metallischen Löffel mit einem Ende über eine Kerze hält. Nach einer bestimmten Zeit erwärmt sich dieser dabei auch am anderen Ende.

Während es bei einem Pufferspeicher zum Beispiel darum geht, die  Wärmeleitung  durch eine starke Dämmung zu mindern, soll sie in einem Wärmeübertrager besonders hoch sein. Denn nur so kann zum Beispiel sichergestellt werden, dass ein hoher Anteil der Verbrennungswärme in einem  Heizkessel  auch an das Heizungswasser übergeben wird.

Die Wärmestrahlung

Die  Wärmestrahlung  beschreibt den Transport thermischer Energie über elektromagnetische Wellen. Anders als bei der Leitung oder der Konvektion sind dabei keine Medien notwendig. Die Wärmestrahlung findet daher als einzige Transportform auch in einem Vakuum statt. Wie bei der Sonnenstrahlung wird die abgestrahlte Wärme eines Körpers dabei erst dann spürbar, wenn sie auf einen anderen auftrifft.

Ein Beispiel aus der Heizung ist die  Flächenheizung. Denn auch diese überträgt den größten Teil der Wärme über Strahlung und sorgt so für einen hohen Komfort. Ein besonderer Vorteil: Durch diese Art der Wärmeübertragung steigt die empfundene Temperatur auch dann, wenn die Lufttemperatur in einem Raum abgesenkt wird. Mit jedem Grad Celsius können so bis zu 6 Prozent Heizkosten gespart werden.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion

Die Konvektion beschreibt den Transport thermischer Energie, gebunden an die Teilchen strömender Medien. Sie tritt immer dann auf, wenn zum Beispiel Gase oder Flüssigkeiten Wärme an festen Oberflächen aufnehmen oder abgeben. Vorstellen kann man sich das zum Beispiel an einem Heizkörper. Hier wird die Energie des Heizungswassers zunächst über Leitung auf die Raumluft und von dieser, durch Konvektion durch den Raum transportiert.

Typisch für die Wärmeübertragung durch Konvektion sind sogenannte konvektive Zellen, bei denen ein Medium zwischen Wärmequelle und -senke zirkuliert. Im Beispiel des Heizkörpers steigt die erwärmte Luft dabei durch die sinkende Dichte auf und gibt die mit sich geführte Wärme an den Raum ab. Dabei kühlt sie selbst ab und strömt zurück zum Heizkörper. Der Kreislauf beginnt nun von vorn.  Bei dem Transport der Wärme in einer Pumpen-Warmwasserheizung spricht man übrigens von der erzwungenen Konvektion. Grund dafür ist der von außen beeinflusste  Wärmetransport  über eine Pumpe.