Wärmetransport: Mechanismen im Überblick

Wärmeleitung: Wärmetransport von Molekül zu Molekül

Bei der Wärmeleitung (auch Konduktion) geht es um den Wärmetransport in festen Körpern. Während sich diese nicht bewegen, strömt die thermische Energie von Molekül zu Molekül durch sie hindurch. Möglich ist das durch die beweglichen Teilchen. Diese Schwingen heftiger, je wärmer ein Körper ist. Erwärmte Moleküle stoßen dabei benachbarte Moleküle an. Sie nehmen Energie auf und geraten ebenfalls in Schwingung. Beschreiben lässt sich die Form des Wärmetransports an einem metallischen Löffel. Befindet sich dieser mit einem Ende über einer Kerze, erwärmt er sich Schritt für Schritt von der Spitze bis zum Griff.

Gute und schlechte Wärmeleiter im Überblick

Ob ein Material den Wärmetransport begünstigt, hängt vor allem von der Wärmeleitfähigkeit ab. Diese lässt sich in Watt pro Meter und Kelvin angeben und ist höher, je besser die thermische Energie durch das jeweilige Material hindurch strömt. Die folgende Tabelle zeigt einige Materialien und ihre Wärmeleitfähigkeit.

Die Tabelle zeigt: Ist der Wärmetransport erwünscht, kommen vor allem Metalle zum Einsatz. Soll ein Material dämmend wirken, sind spezielle Dämmstoffe wie Polyurethan oder Mineralwolle deutlich besser geeignet. Sie mindern zum Beispiel die Wärmeverluste eines Gebäudes und sorgen für sinkende Heizkosten.

Konvektion: Wärmetransport in Gasen und Flüssigkeiten

Die Konvektion (auch Wärmeströmung oder Wärmemitführung) beschreibt den Wärmetransport in strömenden Medien. Dabei wandert thermische Energie gebunden an bewegliche Teilchen durch den Raum. Möglich ist das üblicherweise in Gasen oder Flüssigkeiten. Ein Beispiel: Erwärmt ein Kessel das Wasser einer Heizungsanlage, sorgt eine Heizungspumpe dafür, dass es durch ein verzweigtes Rohrnetz zu allen Heizflächen im Haus strömt. Die Flüssigkeit nimmt die erzeugte Wärme mit und der Wärmetransport in Form von Konvektion findet statt.

Unterschiedliche Formen der Konvektion

Abhängig von der Kraft, die den Wärmetransport ermöglicht, unterscheiden Experten die freie und die erzwungene Konvektion. Bei der freien Konvektion strömt Materie auf natürliche Weise durch den Raum. Den Antrieb liefern dabei zum Beispiel Dichteunterschiede von Gasen oder Flüssigkeiten. Bei der erzwungenen Konvektion liefert ein zusätzliches Gerät den Antrieb der Strömung. In der Gebäudetechnik können das zum Beispiel Heizungspumpen oder Ventilatoren sein.

Übrigens: Sollen Gase oder Flüssigkeiten den Wärmetransport durch Konvektion begünstigen, müssen sie viel Wärme aufnehmen und speichern können. Experten sprechen dabei von der spezifischen Wärmespeicherfähigkeit, die sich in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin (kJ/kg*K) angeben lässt. Je höher diese ist, umso mehr Energie kann die gleiche Menge einer Flüssigkeit oder eines Gases mit sich führen.

Strahlung: Wärmetransport ohne Übertragungsmedium  

Während der Wärmetransport in Form von Konvektion und Leitung an strömende oder feste Stoffe gebunden ist, funktioniert die Wärmestrahlung ganz ohne Materie. Thermische Energie bewegt sich hier in Form elektromagnetischer Wellen fort. Und das sogar in einem Vakuum, also einem annähernd luftleeren Raum. Wie gut das funktioniert, hängt vor allem von der Oberflächentemperatur eines Körpers ab. Das beste Beispiel ist hier die Sonne. Denn diese ist so heiß, dass sie thermische Energie über eine Entfernung von 149.600.000 Kilometern bis zu Erde abstrahlt. Praktische Beispiele aus dem Alltag sind die Infrarotheizung und die Fußbodenheizung. Bei der Flächenheizung erwärmen wasserführende Leitungen die Oberflächentemperatur der Böden, sodass diese Wärme an den Raum abstrahlen. Die thermische Energie trifft direkt auf feste Körper und sorgt auf der menschlichen Haut für ein besonders hohes Wohlbefinden.

Wärmebildkameras machen die Wärmestrahlung sichtbar

Wärmebildkameras nehmen die Strahlung eines Körpers auf und können daraus auf die jeweilige Oberflächentemperatur schließen. Die Messung funktioniert berührungslos und bringt bunte Bilder hervor. Die Farben variieren dabei meist von tiefblau (kühl) bis rot (heiß). Auf diese Weise lasse sich zum Beispiel Wärmebrücken an der Fassade oder undichte Rohre im Haus erkennen (siehe Fußbodenheizung undicht).