Die Kräfte, die hinter der Wärmeleitfähigkeit stehen und wie sie angewendet wird
Die Wärmeübertragung ist eine der wichtigsten physikalischen Kräfte, die alle Reaktionen auf diesem Planeten antreibt. Geregelt durch die Gesetze der Thermodynamik, ermöglicht die Wärmeübertragung die Nutzung und Anwendung von Energie, um unzählige alltägliche Systeme anzutreiben. Der Mechanismus der Wärmeübertragung wird durch den ersten Hauptsatz der Thermodynamik erklärt. Dieses Gesetz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur zwischen Systemen übertragen werden kann. Wenn Energie zwischen zwei Systemen übertragen wird, geht unweigerlich ein Teil davon an die Umgebung verloren. Diese verlorene Energie tritt in Form von Wärme auf und kann auch als thermische Energie bezeichnet werden. Thermische Energie, die in einem System enthalten ist, ist für die Temperatur der Umgebung verantwortlich.
Methoden der Wärmeübertragung
Es gibt drei Methoden, die die Wärmeübertragung ermöglichen. Diese Methoden sind bekannt als Leitung, Konvektion und Strahlung.
Strahlung überträgt Wärme mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen und beinhaltet keine Wechselwirkung zwischen Materie. Wärme, die von der Sonne kommt, ist ein Beispiel für Strahlung.
Konvektion tritt in Flüssigkeiten und Gasen auf und beschreibt die Bewegung von Wärme von einem Ort zum anderen, die durch die Bewegung von Flüssigkeiten ermöglicht wird. Wenn Flüssigkeiten erhitzt werden, dehnen sie sich aus und verlieren ihre Dichte. Die heiße Flüssigkeit steigt auf und verdrängt die kalte Flüssigkeit, die sich über ihr befindet, und drückt sie nach unten in Richtung der Wärmequelle. Diese kalte Flüssigkeit wird erwärmt und steigt nach oben, wodurch ein konstanter Flüssigkeitsstrom von einem Bereich mit hoher Wärme zur niedrigen Wärme entsteht. Konvektion erklärt, wie Fußleistenheizkörper einen ganzen Raum beheizen können. Die heiße Luft, die von den Heizkörpern erzeugt wird, strömt schnell nach oben und drückt die kalte Luft nach unten in Richtung des Heizkörpers am Boden, wodurch ein konstanter Luftstrom entsteht.
Wärmeübertragung durch Konduktion beinhaltet die Übertragung von Wärme zwischen zwei Materialien durch Oberflächenkontakt. Dabei wird keine Materie zwischen den Materialien ausgetauscht, sondern nur Energie. Diese Art der Wärmeübertragung findet in festen Materialien statt und wird durch die Schwingungen von Teilchen verursacht. Wenn sie einem Energiefluss ausgesetzt sind, beginnen die Partikel in einem Festkörper zu wackeln, zu rotieren und zu vibrieren und erzeugen dabei kinetische Energie. Ein gängiges Beispiel für Wärmeleitung ist das Erhitzen einer Pfanne auf einem Herd. Die Wärme vom Brenner überträgt sich direkt auf die Oberfläche der Pfanne. Die Temperatur ist ein Maß für die Menge an kinetischer Energie, die von den Teilchen in einer Materieprobe verarbeitet wird. Je mehr kinetische Energie ein Material hat, desto höher ist seine Innentemperatur.
Abbildung 1: Diagramm Mechanismen der Wärmeübertragung
Wärmeübertragung in Metallen
Materie mit hoher kinetischer Energie hat auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie effizient ein Material Wärme durch sich hindurchleiten kann. Sie ist definiert durch die Rate des Energieflusses pro Flächeneinheit im Vergleich zu einem Temperaturgefälle. Die meisten Werte der Wärmeleitfähigkeit werden in Watt pro Meter pro Grad Kelvin W/m-K angegeben.
Die Wärmeleitfähigkeit erklärt, warum sich das Barfußlaufen auf einem kalten Fliesenboden viel kühler anfühlt als das Laufen auf Teppich, obwohl beide Raumtemperatur haben. Fliesen und Steine haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Teppiche und Textilien, so dass sie die Wärme viel schneller vom Fuß wegleiten können, wodurch sich die Fliese kühl anfühlt.
Metalle sind ein Beispiel für ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das Wärme schnell übertragen kann. Die innere Struktur eines Metallmoleküls enthält freie Elektronen, die sich frei durch die Masse des Materials bewegen können. Diese freien Elektronen stoßen schnell mit anderen Teilchen zusammen, was dazu führt, dass die innere Struktur eines Metalls schneller schwingt und sich schneller erwärmt. Diese schnellen Schwingungen fördern den Energie- und Wärmefluss im gesamten Metall.
Metalle wie Kupfer, Aluminium und Silber werden häufig zur Herstellung von Wärmegeräten und Werkzeugen verwendet. Kupferrohre sind Drähte, die innerhalb eines Hauses sehr beliebt sind, um Energie und Wärme schnell von einem Bereich zum anderen zu übertragen. Aluminium hat sehr ähnliche thermische Eigenschaften wie Kupfer und wird oft als kostengünstiger Ersatz verwendet, um die gleichen Funktionen zu erfüllen. Silber ist eines der am meisten verwendeten Metalle für thermische Anwendungen. Über 35% des in den USA produzierten Silbers wird für elektronische oder elektrische Anwendungen hergestellt. Die Nachfrage nach Silber steigt weiter an, da es zu einem wichtigen Bestandteil bei der Herstellung von Solarzellen wird. Andere hoch wärmeleitende Materialien wie Diamanten haben ebenfalls viele praktische Anwendungen. Diamantpulver wird oft in der Elektronik verwendet, um Wärme von empfindlichen Bereichen weg zu leiten, um sie vor Überhitzung zu schützen.
Abbildung 2: Standard-Solarpaneele, die häufig mit Silber hergestellt werden
Wärmeübertragung in Nicht-Metallen
Nicht-Metall-Materialien verlassen sich auf Phononen, um Wärme entlang eines Gradienten von einem kalten Bereich zu einem warmen Bereich zu übertragen. Kunststoffe, Schäume und Holz sind alles Beispiele für Materialien mit schlechten Wärmeleitfähigkeitswerten. Diese Materialien werden als Isolatoren bezeichnet und können den Wärmefluss einschränken. Isolatoren haben zahlreiche äußerst nützliche Anwendungen, die Energie davor schützen können, an die Umwelt verloren zu gehen. Schaumstoff ist ein äußerst nützliches Haus- und Gebäudeisoliermaterial. Über 50 % der gesamten Haushaltsenergie wird zum Heizen oder Kühlen eines Hauses verwendet. Die Verwendung eines Materials mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zur Isolierung eines Hauses kann die Energiemenge, die zum Heizen oder Kühlen eines Gebäudes benötigt wird, erheblich senken. Die Energiepreise steigen weltweit kontinuierlich an, so dass es ideal ist, so viel Strom und Wärme wie möglich zu sparen, um die Stromrechnungen zu senken.
Fazit
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine extrem wichtige Materialeigenschaft, die es Tausenden von Produktionssystemen ermöglicht, richtig und effizient zu funktionieren. In jedem Ökosystem findet ein ständiger Austausch von Wärme in Form von Verlustenergie statt. Die Nutzung der Wärmeenergie für industrielle und praktische Prozesse hat hervorragende energiesparende Technologien hervorgebracht, die täglich genutzt werden. Konduktion, Strahlung und Konvektion sind die verschiedenen Wege, auf denen sich Wärme durch ein System bewegen kann. Struktur, Dichte und Materialzusammensetzung sind Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit einer Probe beeinflussen können. Materialien mit hohen oder niedrigen Wärmeleitfähigkeitswerten werden für eine Vielzahl von alltäglichen Anwendungen eingesetzt. Obwohl sehr unterschätzt, wäre das Leben ohne Wärmeübertragung und Wärmeaustausch nicht dasselbe.
Autorin: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest