Wärmeleitung

Die Wärmeleitung ist eine Form der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch Körper hindurch von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen niedrigerer Temperatur übertragen wird. Dadurch erwärmt sich z. B. das Ende des Löffels, das sich nicht im Tee befindet. Auch bei Töpfen, Heizkörpern, Lötkolben oder Öfen tritt Wärmeleitung auf und ist dabei teils erwünscht, teils unerwünscht.

Richtung der Wärmeleitung

Wärmeleitung erfolgt in einem Körper nur dann, wenn Bereiche unterschiedlicher Temperatur vorhanden sind. Die Wärme wird stets von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen niedrigerer Temperatur übertragen (Bild 2). Bleibt ein Körper sich selbst überlassen, so erfolgt allmählich ein Temperaturausgleich. Die durch einen Körper übertragene Wärme hängt ab

• vom Stoff, aus dem der Körper besteht,
• von der Querschnittsfläche des Körpers,
• von der Temperaturdifferenz,
• von der Länge des Körpers,
• von der Zeit.

Berechnung der übertragenen Wärme

Unter der Bedingung, dass die Wärmeleitung in einem Stoff erfolgt und zwischen zwei Bereichen eine konstante Temperaturdifferenz vorliegt (Bild 2), kann die Berechnung der übertragenen Wärme mit folgender Gleichung erfolgen:

$\begin{array}{l}Q=\lambda \cdot \frac{A\cdot t\cdot \Delta \vartheta }{l}\\ Q\text{ durch den Stoff übertragene Wärme}\\ \lambda \text{ Wärmeleitfähigkeit des Stoffes}\\ A\text{ Querschnittsfläche}\\ t\text{ Zeit der Wärmeleitung}\\ l\text{ Länge }\\ \Delta \vartheta \text{ Temperaturdifferenz}\end{array}$

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Stoffkonstante. Je nach dem Wert dieser Stoffkonstanten unterscheidet man gute Wärmeleiter und schlechte Wärmeleiter.

Gute Wärmeleiter sind alle Metalle, vor allem Silber, Kupfer, Gold und Aluminium. Schlechte Wärmeleiter sind fast alle Kunststoffe, Holz, Wasser, Glas und vor allem Luft. Deshalb nutzt man als Dämmstoffe Materialien, in denen viel Luft eingeschlossen ist (z. B. Styropor, Glaswolle). Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Wasser kann man in einem einfachen Experiment nachweisen (Bild 3). In ein Reagenzglas wird Wasser gefüllt. Den oberen Teil des Reagenzglases hält man über eine Flamme. Nach kurzer Zeit beginnt an der betreffenden Stelle das Wasser zu sieden. An den Fingern spürt man aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Wassers nur eine geringe Erwärmung.

Wärmeübergang

Wärmeleitung kann auch von einem Stoff zu einem anderen Stoff erfolgen. Die Wärme geht dann von einem Stoff in einen anderen Stoff über. Das wird als Wärmeübergang bezeichnet (Bild 4). Wärmeübergang erfolgt z. B. von der Oberfläche eines Tauchsieders auf das umgebende Wasser. Ein anderes Beispiel ist der Wärmeübergang vom Boden eines Kochtopfes auf die Speise in ihm.

Die beim Wärmeübergang übertragene Wärme kann unter der Bedingung einer konstanten Temperaturdifferenz mit folgender Gleichung berechnet werden:

$\begin{array}{l}Q=\alpha \cdot A\cdot t\cdot \Delta \vartheta \\ Q\text{ übertragene Wärme}\\ \alpha \text{ Wärmeübergangskoeffizient}\\ A\text{ Querschnittsfläche}\\ t\text{ Zeit}\\ \Delta \vartheta \text{ Temperaturdifferenz}\end{array}$

In Bild 5 sind einige Wärmeübergangskoeffizienten angegeben.

Wärmedurchgang

Wärme kann auch von einem Stoff durch einen zweiten Stoff hindurch in einen dritten Stoff übergehen. Das wird als Wärmedurchgang bezeichnet (Bild 6). Ein typisches Beispiel für Wärmedurchgang ist die Übertragung von Wärme von der Luft eines geheizten Zimmers durch die Wand oder das Glas des geschlossenen Fensters hindurch auf die Außenluft.

Die beim Wärmedurchgang übertragene Wärme kann unter der Bedingung einer konstanten Temperaturdifferenz mit folgender Gleichung berechnet werden:

$\begin{array}{l}Q=k\cdot A\cdot t\cdot \Delta \vartheta \\ Q\text{ übertragene Wärme}\\ k\text{ Wärmedurchgangskoeffizient}\\ A\text{ Querschnittsfläche}\\ t\text{ Zeit}\\ \Delta \vartheta \text{ Temperaturdifferenz }\end{array}$

In Bild 7 sind einige Wärmedurchgangskoeffizienten angegeben.

Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen wird einerseits genutzt, andererseits ist sie unerwünscht.

Die Nutzung der Wärmeleitfähigkeit erfolgt z. B. bei einem Lötkolben. Er verfügt über eine Spitze aus Kupfer, die mit einer Heizpatrone verbunden ist. Die Heizpatrone wird elektrisch aufgeheizt. Die Wärme breitet sich dann von ihr bis zur Spitze des Lötkolbens aus. Kupfer wählt man deshalb, weil es ein sehr guter Wärmeleiter ist.
Weitere Beispiele für die Nutzung der Wärmeleitung sind Heizplatten, Kochtöpfe oder die Kühlrippen bei Kühlern.

Unerwünscht ist die Wärmeleitung z. B. bei Wänden und Fenstern von Gebäuden, bei der Wandung von Rohrleitungen für die Fernwärme oder bei Griffen von Töpfen und Pfannen. Deshalb verwendet man für die Griffe Materialien, die die Wärme schlecht leiten, z. B. Kunststoff.