Wärmeübertragung

Grundbegriff und Richtung des Wärmetransports

Wärmeübertragung oder Wärmetransport ist der Transport von Energie in Form von Wärme über mindestens eine thermodynamische Systemgrenze hinweg. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt die Wärmeübertragung immer in Richtung der Orte mit tieferen Temperaturen, also insgesamt vom warmen zum kalten Bereich.

Der Wärmestrom ist eine physikalische Größe der Wärmeübertragung. Zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einem Fluid, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, spricht man von Wärmeübergang. Er wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben. Werden dagegen die Wärmeleitung durch eine Wand und die Wärmeübergänge an beiden Wandoberflächen gemeinsam betrachtet, heißt der Vorgang Wärmedurchgang: Wärme gelangt dabei von einem Fluid durch eine Wand zu einem anderen Fluid.

Technische Vorrichtungen zur Übertragung von Wärme heißen Wärmeübertrager. Umgangssprachlich wird auch der historisch verbreitete Ausdruck Wärmetauscher verwendet. Die Wärme kann grundsätzlich in beide Richtungen übertragen werden, abhängig davon, welches Medium wärmer ist. Der Wärmestrom verläuft im Wärmetauscher jedoch stets vom warmen zum kalten Medium. Ein Plattenwärmetauscher kann beispielsweise im Winter Heizenergie in ein Flächenheiz- und Kühlsystem, etwa eine Heiz- und Kühldecke, übertragen und im Sommer Wärme aus dem zirkulierenden Wärmeträger entziehen, um zu kühlen.

Die drei Arten der Wärmeübertragung

Bezogen auf die Gesamtenergie gibt es drei Arten des Wärmetransports: Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion. In realen Systemen treten häufig mehrere dieser Arten gleichzeitig auf.

Bei der Wärmeleitung oder Konduktion wird kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen ohne Materialtransport übertragen. Auch die Bewegung freier Elektronen in einem Metall zählt zur Wärmeleitung. Sie ist ein irreversibler Prozess und transportiert Wärme im statistischen Mittel vom höheren Energieniveau mit höherer absoluter Temperatur zum niedrigeren Energieniveau. Beispiele sind die Wärmeleitung vom Heizelement eines elektrischen Lötkolbens zur Lötspitze, die Dämmung eines Kühlschranks zur Verringerung der Wärmeleitung durch das Gehäuse und die Wärmeleitung im Metall eines Heizkörpers vom heißen Wasser zur äußeren Oberfläche. Eine Türklinke aus Metall fühlt sich kalt an, weil sie Körperwärme gut ableitet.

Wärmestrahlung ist ein Teil der elektromagnetischen Wellen. Meist wird Energie durch infrarote Wellen übertragen. Im kosmischen und im submolekularen Bereich können auch andere Wellenlängen und Frequenzen in nennenswertem Umfang beteiligt sein. Bei genauer Betrachtung strahlt jede Oberfläche Energie ab, daher gibt es auch einen Strahlungsaustausch von kalt nach warm. Der Energiestrom von warm nach kalt ist jedoch stets größer; der resultierende Wärmestrom verläuft deshalb vom warmen zum kalten Bereich und verringert den Temperaturunterschied. Wärmestrahlung ist die einzige Wärmeübertragungsart, die auch ein Vakuum durchdringen kann. Die Erde wird durch die Strahlung der Sonne erwärmt, während Thermoskannen durch eine Verspiegelung im Inneren Strahlungsverluste verringern. Ein leistungsstarker Kohlendioxidlaser kann Metalle durch sehr helles Licht schmelzen; dabei handelt es sich jedoch nicht um Wärmestrahlung.

Bei der Konvektion oder Wärmeströmung führt ein strömendes Fluid Wärme als innere Energie oder Enthalpie mit. Sie tritt auf, wenn ein Fluid Wärme an einer Oberfläche aufnimmt und an einer anderen abgibt. Typisch sind konvektive Zellen, in denen das Fluid zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zirkuliert. Diese Zellen können millimeter- bis zentimetergroß, so groß wie Heizkreisläufe oder bei der planetarischen Zirkulation tausende Kilometer lang und breit sowie einige Kilometer hoch sein.

Freie Konvektion entsteht durch die Bewegung des Fluids selbst, beispielsweise wenn ein Heizstab Wasser in einem Warmwasserspeicher erwärmt. Bei erzwungener Konvektion wird das Fluid durch eine Pumpe oder einen Lüfter bewegt. Dann hängt der Massentransport von der Förderleistung und die transportierte Energie von der Wärmekapazität des Mediums ab. Beispiele sind das Umwälzen von Wasser in einer Wasch- oder Spülmaschine, der Transport von Heizwasser zu Heizkörpern und die vom Lüfter erzeugte warme Luft eines Haarföns. Bei einer Heizungsanlage kann im Heizkörper zusätzlich freie Konvektion auftreten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Heizwassers stark abnimmt.

Zusammenwirken und Gleichgewicht

Innerhalb von Festkörpern überwiegt meist die Wärmeleitung, gegebenenfalls tritt zusätzlich Wärmestrahlung auf. In Flüssigkeiten und Gasen ist neben der Wärmeleitung auch Wärmeströmung möglich. Wärmestrahlung findet besonders zwischen Oberflächen statt, wenn das dazwischenliegende Medium wenig Energie absorbiert; ideal ist ein Vakuum. Viele Gase sind für Wärmestrahlung weitgehend durchlässig und werden als diatherm bezeichnet.

Auch Körper oder Systeme mit gleicher Temperatur tauschen Energie aus. In diesem Gleichgewichtszustand sind abgegebene und aufgenommene Energie gleich groß. Der Nettowärmetransport ist dann null, und die Temperaturen ändern sich nicht.

Abgrenzung zu anderen Erwärmungsvorgängen

Dielektrische Erwärmung und induktive Erwärmung gelten nicht als Wärmeübertragung, obwohl dabei Gegenstände erhitzt werden. Die jeweiligen Sender geben ihre Energie nicht aufgrund ihrer eigenen Temperatur ab; außerdem steigt die abgegebene Energie nicht mit zunehmender Temperatur des Senders.

Beispiele aus Technik und Bauwesen

Im Kühlsystem eines wassergekühlten Verbrennungsmotors wird ein Teil der beim Verbrennen entstehenden Wärme zunächst auf die Motorwand übertragen. Durch Wärmeleitung gelangt sie in das Wasser als Wärmetransportmittel. Eine erzwungene Konvektion transportiert das erwärmte Wasser zum Kühler. Dort fließt die Wärme durch die Rohrwände zu den Kühllamellen und wird von der vorbeiströmenden Luft aufgenommen und aus dem Motorraum an die Umgebung abgeführt.

Der Wärmeübergang hängt dabei wesentlich von der Strömungsform ab. In einer laminaren Strömung, also einer Strömung mit fehlenden Querbewegungen der Teilchen, erfolgt der Wärmetransport überwiegend durch Wärmeleitung. In turbulenter Strömung übersteigt der Wärmeaustausch durch Mischbewegungen denjenigen durch Wärmeleitung deutlich. An der benetzten Oberfläche eines angeströmten Festkörpers bildet sich durch Reibung immer eine laminare Grenzschicht. Ihre Dicke beeinflusst den Wärmeübergang maßgeblich. Eine solche Grenzschicht entsteht auch an den Kühllamellen; durch ihre Wärmeleitung wird der Wärmetransport in die Kühlluft wesentlich bestimmt.

Beim Heizen eines Gebäudes wird die Innentemperatur auf einem Richtwert gehalten. Entscheidend ist die Energiebilanz zwischen den Wärmeverlusten des Gebäudes an die Umgebung und der vom Heizsystem in das beheizte Raumvolumen übertragenen Wärme. Daraus ergibt sich der benötigte Heizenergiebedarf als thermischer Anteil der Energiebedarfsberechnung. Wärmeverluste durch Bauteile werden allgemein nach EN ISO 6946 berechnet, für unbeheizte Gebäudeteile unter anderem nach EN 832.

Raumheizung ist komplex, weil Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung meist gleichzeitig wirken und in der Regel instationär, also zeitlich veränderlich, ablaufen. Überwiegt die Konvektion, spricht man beispielsweise von einer Konvektionsheizung; überwiegt die Wärmestrahlung, von einer Strahlungsheizung. Heizflächen können in die Gebäudeumfassungen integriert oder als frei stehende Heizkörper angeordnet sein. Zur Beschreibung solcher Vorgänge verwendet man wärmetechnische Raummodelle.