Die Wissenschaft der Wärmeübertragung: Was ist Leitung?

Wärme ist eine interessante Energieform. Das Wissen darüber, wie Wärme übertragen wird und inwieweit verschiedene Materialien Wärmeenergie austauschen können, bestimmt beispielsweise alles, vom Bau von Heizgeräten über das Verständnis saisonaler Veränderungen bis hin zum Versenden von Schiffen in den Weltraum.

Wärme kann nur auf drei Arten übertragen werden: Leitung, Konvektion und Strahlung. Von diesen ist die Leitung vielleicht die häufigste und tritt regelmäßig in der Natur auf. Kurz gesagt, es ist die Übertragung von Wärme durch physischen Kontakt. Es tritt auf, wenn Sie Ihre Hand auf eine Fensterscheibe drücken, wenn Sie einen Topf Wasser auf ein aktives Element stellen und wenn Sie ein Bügeleisen ins Feuer stellen.

Diese Übertragung erfolgt auf molekularer Ebene – von einem Körper zum anderen -, wenn Wärmeenergie von einer Oberfläche absorbiert wird und die Moleküle dieser Oberfläche sich schneller bewegen. Dabei treffen sie auf ihre Nachbarn und übertragen die Energie auf sie. Dieser Prozess dauert an, solange noch Wärme zugeführt wird.

Der Prozess der Wärmeleitung hängt von vier Grundfaktoren 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 heißesten zur kältesten Quelle, da Kälte nichts anderes ist als die Abwesenheit von Wärmeenergie. Diese Übertragung zwischen Körpern setzt sich fort, bis die Temperaturdifferenz abnimmt und ein Zustand auftritt, der als thermisches Gleichgewicht bekannt ist.

Querschnitt und Weglänge sind ebenfalls wichtige Faktoren. Je größer das an der Übertragung beteiligte Material ist, desto mehr Wärme wird zum Erwärmen benötigt. Je mehr Oberfläche offener Luft ausgesetzt ist, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit eines Wärmeverlusts. Kürzere Objekte mit kleinerem Querschnitt sind daher das beste Mittel, um den Wärmeenergieverlust zu minimieren.

Last but not least sind die physikalischen Eigenschaften der beteiligten Materialien. Grundsätzlich sind beim Wärmeleiten nicht alle Substanzen gleich. Metalle und Stein gelten als gute Leiter, da sie schnell Wärme übertragen können, während Materialien wie Holz, Papier, Luft und Stoff schlechte Wärmeleiter sind.

Diese Leitfähigkeitseigenschaften werden anhand eines „Koeffizienten“ bewertet, der relativ zu Silber gemessen wird. In dieser Hinsicht hat Silber einen Wärmeleitungskoeffizienten 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 auf Null gesetzt wird.

Materialien, die schlechte Wärmeleiter sind, werden Isolatoren genannt. Luft mit einem Leitungskoeffizienten von 0,006 ist ein außergewöhnlicher Isolator, da sie in einem geschlossenen Raum eingeschlossen werden kann. Aus diesem Grund verwenden künstliche Isolatoren Luftkammern wie Doppelglasfenster, die zum Schneiden von Heizkosten verwendet werden. Grundsätzlich wirken sie als Puffer gegen Wärmeverlust.

Federn, Pelz und Naturfasern sind Beispiele für natürliche Isolatoren. Dies sind Materialien, die es Vögeln, Säugetieren und Menschen ermöglichen, warm zu bleiben. Seeotter leben zum Beispiel in Meeresgewässern, die oft sehr kalt sind und deren luxuriös dickes Fell sie warm hält. Andere Meeressäugetiere wie Seelöwen, Wale und Pinguine sind auf dicke Fettschichten (auch bekannt als Speck) – einen sehr schlechten Leiter – angewiesen, um einen Wärmeverlust durch ihre Haut zu verhindern.

Dieselbe Logik wird auf die Isolierung von Häusern, Gebäuden und sogar Raumfahrzeugen angewendet. In diesen Fällen umfassen die Verfahren entweder eingeschlossene Lufteinschlüsse zwischen Wänden, Glasfaser (die Luft darin einschließt) oder Schaum mit hoher Dichte. Raumfahrzeuge sind ein Sonderfall und verwenden Isolierungen in Form von Schaum, verstärktem Kohlenstoffverbundmaterial und Silikafaserfliesen. All dies sind schlechte Wärmeleiter und verhindern daher, dass Wärme im Weltraum verloren geht, und verhindern auch, dass die durch atmosphärischen Wiedereintritt verursachten extremen Temperaturen in die Mannschaftskabine gelangen.

Sehen Sie sich diese Videodemonstration der Wärmekacheln im Space Shuttle an:

Die Gesetze zur Wärmeleitung sind dem Ohmschen Gesetz zur Regelung der elektrischen Wärmeleitung sehr ähnlich. In diesem Fall ist ein guter Leiter ein Material, durch das elektrischer Strom (d. H. Elektronen) ohne große Schwierigkeiten fließen kann. Ein elektrischer Isolator ist dagegen jedes Material, dessen interne elektrische Ladungen nicht frei fließen und es daher sehr schwierig machen, einen elektrischen Strom unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu leiten.

In den meisten Fällen sind Materialien, die schlechte Wärmeleiter sind, auch schlechte elektrische Leiter. Zum Beispiel leitet Kupfer sowohl Wärme als auch Elektrizität gut, weshalb Kupferdrähte bei der Herstellung von Elektronik so häufig verwendet werden. Gold und Silber sind noch besser, und wo der Preis keine Rolle spielt, werden diese Materialien auch beim Bau von Stromkreisen verwendet.

Und wenn man versucht, eine Ladung zu „erden“ (d. H. Zu neutralisieren), sendet man sie über 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 in Kontakt kommen, keinen Stromschlag erleiden.

Isoliermaterialien wie Gummi an den Schuhsohlen werden getragen, um sicherzustellen, dass Personen, die mit empfindlichen Materialien oder in der Nähe von elektrischen Quellen arbeiten, vor elektrischen Ladungen geschützt sind. Andere Isoliermaterialien wie Glas, Polymere oder Porzellan werden üblicherweise in Stromleitungen und Hochspannungssendern verwendet, um den Stromfluss zu den Schaltkreisen aufrechtzuerhalten (und sonst nichts!).

Kurz gesagt, die Leitung beruht auf der Übertragung von Wärme oder der Übertragung einer elektrischen Ladung. Beides geschieht aufgrund der Fähigkeit einer Substanz, Molekülen Energie über sie zu übertragen.

Wir haben viele Artikel über Dirigieren für das Space Magazine geschrieben. Lesen Sie diesen Artikel über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik oder diesen über statische Elektrizität.

Wenn Sie weitere Informationen zur Leitung wünschen, lesen Sie den Artikel der BBC über Wärmeübertragung und hier einen Link zu The Physics Hypertextbook.

Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast über Magnetismus aufgenommen – Episode 42: Magnetismus überall.

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