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 (Bild 1). 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 von selbst
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:
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:
In Bild 5 sind einige Wärmeübergangskoeffizienten
ausgegeben.
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:
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
(Bild 8). 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.