Als Wärmeübertragung bezeichnet man den Transport von thermischer Energie von einem wärmeren auf einen kühleren Gegenstand. Unterschieden wird dabei zwischen, Wärmeströmung (Konvektion), Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Mehr zu den verschiedenen Arten des Wärmetransports erfahren Sie in diesem Artikel.

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Welche Arten der Wärmeübertragungen gibt es?
  • Was versteht man unter Wärmedämmung und warum gibt es keine Wärmeisolation?
  • Was ist Konvektion?
  • In welchen Stoffen kann es keine Wärmeübertragung durch Konvektion geben?
  • In welchem Punkt unterscheidet sich die Wärmestrahlung grundlegend von der Wärmeströmung und Wärmeleitung?

Beispiel 1: Gebäude

Die untere Abbildung zeigt die Wärmebildaufnahme eines Gebäudes. Aufgrund der Farbcodierung wird hierdurch die räumliche Temperaturverteilung anschaulich abgebildet. In diesem Fall sind die kühleren Stellen eher bläulich und die heißeren Stellen rötlich bis weißlich dargestellt. Hieraus lassen sich Schlüsse ziehen, an welchen Stellen die Wärme relativ stark aus dem Gebäude nach außen abströmt.

Während in diesem Fall die Wände offensichtlich relativ kühl sind und die Wärme hierüber kaum nach außen dringt, tritt die Wärme verstärkt durch die Fensterscheibe nach außen. Grundsätzlich ist man vor allem in der kalten Jahreszeit daran interessiert solche Wärmeströme ins Freie wie sie über die Fensterscheibe verstärkt stattfinden zu vermeiden. Hierdurch muss das Gebäudeinnere nicht unnötig geheizt werden, was nicht nur die Umwelt, sondern auch den Geldbeutel schont!

Beispiel 2: Porzellantasse und Thermoskanne

Das nächste Beispiel zeigt eine mit heißem Tee gefüllte Tasse und im Vergleich hierzu Tee in einer Thermoskanne. Es zeigt sich, dass im Falle der Tasse die Wärme offensichtlich sehr stark nach außen dringt, was zu einer großen Erwärmung der Außenseite führt. Die Temperatur an der Außenseite der Thermoskanne ist hingegen deutlich geringer (der rote Streifen auf der Thermoskanne im Wärmebild ist nur die Reflexion der Wärmestrahlung der Tasse!). Ein Indiz dafür, dass die Thermoskanne den Wärmestrom effektiv unterbindet. Es ist deshalb davon auszugehen, dass der Tee in der Thermoskanne deshalb nicht so rasch abkühlt wie in der Tasse.

Beispiel 3: Grafikkarte

Anders als in den soeben genannten Fällen, gibt es aber auch Anwendungen wo ein möglichst hoher Wärmetransport gewünscht ist. Nämlich überall da, wo Wärme möglichst schnell abgeführt werden soll. Dies trifft bspw. auf den Chip der unten abgebildeten Grafikkarte zu. Die Wärme muss vom Chip möglichst schnell abgeführt werden, um eine um eine Überhitzung zu vermeiden. Hierfür ist ein Metallkörper mit Kühlrippen angebracht, der die Wärme sehr gut weg vom Chip leitet und hin auf die umgebende Luft transportiert. Bei leistungsstärkeren Grafikkarten mit einer größeren Wärmeentwicklung sind zusätzlich noch Ventilatoren angebracht (Lüfter genannt), um die erwärmte Luft noch schneller von den Kühlrippen weg zu transportieren.

Wärmeübertragungsmechanismen

Die oberen Beispiele machen deutlich, dass dem Wärmetransport eine besondere Bedeutung zukommt; sei es die gezielte Förderung des Wärmetransports bei Kühlsystemen oder das gezielte Unterbinden bei Gebäuden. Um hierfür jeweils effektive Maßnahmen zu ergreifen, muss man zunächst die unterschiedlichen Mechanismen der Wärmeübertragung verstehen. Dabei unterscheidet man drei Arten der Wärmeübertragung. Diese sind in der Tabelle unten illustrativ dargestellt. Im Folgenden wird hierauf näher eingegangen wird:

Wärmeströmung (Konvektion) WärmeleitungWärmestrahlung
 Prinzip des Wärmetransports durch Wärmeströmung (Konvektion)Prinzip des Wärmetransports durch Wärmeleitung Prinzip des Wärmetransports durch Wärmestrahlung
Wärme wird MIT einem Stoff mitgetragen.Wärme wird DURCH einen Stoff hindurch geleitet.Wärme wird OHNE einen Stoff übertragen.

Mithilfe des Verständnisses der unterschiedlichen Wärmeübertragungsmechanismen, können schließlich gezielt Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um einen ungewollten Wärmetransport weitestgehend zu verhindern. Solche Maßnahmen zur Verhinderung einer Wärmeübertragung werden auch als Wärmedämmungen bezeichnet. Die Wärmedämmung wird missverständlicher Weise auch oft als Wärmeisolation bezeichnet. Strenggenommen kann eine Wärmeübertragung allerdings nie vollständig verhindert und damit isoliert werden. Die Wärmeübertragung kann lediglich eingeschränkt bzw. gedämmt werden.

Wärmeströmung (Konvektion)

Beim Wärmetransport durch Wärmeströmung wird Wärme mit einem strömenden Stoff mittransportiert. Ein solcher Wärmetransport nennt man auch Konvektion. Als Beispiel sei eine Warmwasserheizung genannt, die Wasser im Heizkessel erwärmt und dann über eine Pumpe zum Heizkörper transportiert.

Eine Wärmeübertragung durch Konvektion ist nur bei Stoffen möglich, die auch die Fähigkeit zum Strömen haben. Dies gilt somit nur für Gase und Flüssigkeiten (Fluide genannt). In Festkörper kann Wärme hingegen nicht durch Strömungsprozesse transportiert werden, da die darin enthaltenen Teilchen fest an einen Ort gebunden sind. Eine Wärmeübertragung durch Konvektion ist in Feststoffen somit nicht möglich.

Mehr und ausführlichere Informationen zum Wärmetransport durch Wärmeströmung finden sich im verlinkten Hauptartikel wieder.

Wärmeleitung

Beim Wärmetransport durch Wärmeleitung wird Wärme durch einen Stoff hindurchtransportiert. Als Beispiel sei ein Heizkörper genannt. Dessen Heizrippen leiten die Wärme durch das Material nach außen und geben sie an die Raumluft ab.

Wärmeleitung tritt nicht nur bei Feststoffen auf, sondern auch bei Flüssigkeiten und Gasen. Das Prinzip der Wärmeleitung beruht im Wesentlichen auf Stoßprozesse oder Schwingungsvorgänge der im Stoff enthaltenen Teilchen. Die Teilchen bewegen sich dabei allerdings nicht makroskopisch über weite Strecken hinweg, d.h. sie strömen nicht durch den Stoff wie bei der Wärmeströmung. Vielmehr wird Wärmeenergie immer nur von Teilchen zu Teilchen weitergegeben.

Die Weiterleitung der Wärmeenergie geschieht in Flüssigkeiten und Gasen (und in Metallen!) hauptsächlich durch Stoßprozesse der Teilchen (in Metallen sind dies die freien Leitungselektronen des Elektronengases). In Feststoffen hingegen regen sich die Atome nacheinander zum Schwingen an und leiten somit die damit verbundene Wärmeenergie von Atom zu Atom weiter.

Mehr und ausführlichere Informationen zum Wärmetransport durch Wärmeleitung finden sich im verlinkten Hauptartikel wieder.

Wärmestrahlung

Wärmeströmung und Wärmeleitung benötigen immer einen Stoff bzw. die darin enthaltenen Teilchen, damit Wärme transportiert werden kann. Der Wärmetransport durch Wärmestrahlung erfolgt hingegen ohne das Vorhandensein eines Stoffes bzw. ohne Teilchen. Wärme wird in diesem Fall durch elektromagnetische Strahlung transportiert und dies auch durch das Vakuum hindurch.

Als Beispiel der Wärmestrahlung sei die Sonne genannt, dessen Wärmestrahlung durch das Vakuum des Weltalls dringt, und somit unsere Erde erwärmt. Grundsätzlich strahlt aber jeder Körper in Abhängigkeit seiner Temperatur eine gewisse Wärmestrahlung ab (siehe auch Artikel Schwarzkörperstrahlung). Diese wird deshalb auch als Temperaturstrahlung bezeichnet. Wärmebildkameras machen letztlich genau diese Wärmestrahlung sichtbar.

Mehr und ausführlichere Informationen zum Wärmetransport durch Wärmestrahlung finden sich im verlinkten Hauptartikel wieder.