Wärmeleitung

In der Physik wird unter der Wärmleitung ein Wärmefluss verstanden, der in einem Feststoff oder einem ruhenden Fluid aufgrund eines Temperaturunterschiedes entsteht. Demzufolge fließt die Wärme immer in Richtung der niedrigeren Temperatur. Die Wärmeleitung ist eine von drei Möglichkeiten, wie Energie von einem Ort zum anderen gelangen kann. Konvektion und Wärmestrahlung beschreiben die beiden anderen Methoden zum Transport von Wärmeenergie.

Während des Wärmeflusses geht aufgrund des Energieerhaltungssatzes keinerlei Energie verloren. Zusammengefasst beschreibt die Wärmeleitung den Transport von thermischer Energie, die von einem Ort zum anderen fließt. Dieser Mechanismus wird auch Wärmediffusion oder Konduktion genannt. Dabei wird die Energie über den Kontakt von einem Teilchen zum anderen übergeben. Entscheidend für die Übertragung ist die Bewegung von Atomen und Molekülen. Sie sind dafür verantwortlich, dass die Energie weitergegeben werden kann.

Wärmeleitung: Beispiele

Wie schnell die Wärme weitergeleitet werden kann, hängt von dem Material ab. Unterschieden werden Wärmeleiter, das heißt Materialien, die die Energie schnell weiterleiten können, und Wärmeisolatoren. Damit gemeint sind Materialien, die die Wärme schlecht transportieren können.

Sehr gute Wärmeleiter sind Metalle, da sie freie Elektroden besitzen, die die Wärme von einem Teilchen zum nächsten transportieren können. Beim Kochen werden daher Aluminium- oder Kupfertöpfe verwendet. Die Wärme der Kochplatte kann dadurch an die Töpfe weitergegeben werden. Der Inhalt kann somit erhitzt werden. Ein weiteres Beispiel sind Heizkörper. Diese sollen die Wärmeenergie an den Raum abgeben, sodass die Temperatur darin steigen kann. Die Wärme gelangt mittels Wärmeleitung aus dem Innenraum nach außen in den Raum.

Beispiele für Wärmeisolatoren sind Styropor oder Glaswolle. Diese beiden Materialen sind schlechte Wärmeleiter, sie besitzen keine freien Elektroden, weshalb sie unter anderem zur Isolierung inGebäuden genutzt werden. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit ermöglicht den Einsatz als Dämmmaterial. Bei der Wärmedämmung von Gebäuden wird daher auf Wärmeisolatoren, also schlechte Wärmeleiter zurückgegriffen, damit die Wärme im Winter innerhalb des Gebäudes beziehungsweise die Hitze im Sommer außerhalb der Wände gehalten werden kann.

Berechnung der Wärmestromdichte

Physiker verwenden das sogenannte Wärmeleitungsgesetz beziehungsweise das Fourier’sche Gesetz zur Berechnung der Wärmestromdichte. Mit der Formel zur Wärmeleitung wird dementsprechend errechnet, wie hoch die Menge an Wärmeenergie ist, die während einer gewissen Zeit durch ein bestimmtes Material fließt.

Die Formel ist nach dem französischen Mathematiker und Physiker Jean Baptiste Joseph Fourier benannt und lautet:

Φ = k ⋅ A ⋅ (ΔT) / d

Das Ergebnis wird bestimmt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials (k), der Fläche quer zur Wärmeleitung (A), der Temperaturdifferenz der Oberfläche (DT) sowie der Dicke des Körpers (d).