Formen der Wärme und Energieübertragung

Grundprinzip der Wärme

• Bewegung von Atomen und Molekülen
• Wärme = Energieübertragung
• Temperatur = Mass für mittlere Teilchenbewegung

Energie wird durch Teilchenbewegung übertragen

Wärme entsteht durch die kinetische Bewegung von Atomen und Molekülen. Je höher die Temperatur, desto stärker ist die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Wärme ist dabei nicht die Temperatur selbst, sondern der Energiefluss zwischen Systemen mit unterschiedlicher Temperatur. Dieser Fluss folgt dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik und erfolgt immer vom Bereich höherer Temperatur zum Bereich niedrigerer Temperatur.

Grundlage für Heizsysteme, Klimaanlagen, Wärmedämmung, Energieberechnung und physikalische Materialbeanspruchung in Bau und Technik.

Wärmeleitung (Konduktion)

• Gitterschwingungen
• Phononen

Direkte Energieübertragung durch Materiekontakt

Die Wärmeleitung erfolgt durch Schwingungen im Kristallgitter fester Stoffe. Dabei werden sogenannte Phononen als Energiepakete durch das Material übertragen. In Metallen erfolgt Wärmeleitung zusätzlich durch freie Elektronen. Je besser die Teilchen gekoppelt sind, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit. Dieser Mechanismus benötigt direkten Kontakt zwischen den Stoffen.

Relevanz bei Wärmedämmung von Gebäuden, Heizkörpern, Metallkonstruktionen, Wärmebrücken, Bauteilanschlüssen und Werkstoffauswahl im Bauwesen.

Wärmestrahlung (Radiation)

• Elektromagnetische Strahlung
• Infrarotbereich
• Benötigt kein Medium
• Funktioniert im Vakuum

Energieübertragung durch elektromagnetische Wellen

Wärmestrahlung ist eine Form der Energieübertragung ohne direkten Stoffkontakt. Sie erfolgt über elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich. Diese Strahlung benötigt kein Medium und kann sich auch im Vakuum ausbreiten. Jedes Objekt über dem absoluten Nullpunkt sendet Wärmestrahlung aus. Die Intensität ist abhängig von der Temperatur und den Oberflächeneigenschaften.

Wichtig bei Sonneneinstrahlung, Heizstrahlern, Infrarottechnik, Gebäudehülle, Fassadenplanung, sommerlichem Wärmeschutz und thermischer Simulation von Bauwerken.

Wärmeströmung (Konvektion)

• Dichteunterschiede
• Auftrieb
• Zirkulation
• natürliche Konvektion
• erzwungene Konvektion

Energieübertragung durch bewegte Flüssigkeiten oder Gase

Konvektion entsteht, wenn erwärmte Flüssigkeiten oder Gase eine geringere Dichte bekommen und aufsteigen, während kältere, dichtere Bereiche absinken. Dadurch entstehen Strömungen und Zirkulationen. Natürliche Konvektion entsteht ohne äussere Kräfte, während erzwungene Konvektion durch Ventilatoren oder Pumpen unterstützt wird. Dieser Prozess transportiert Wärme sehr effektiv über grössere Distanzen.

Zentrale Rolle bei Raumluftzirkulation, Heizungs- und Lüftungssystemen, Klimaanlagen, Kaminzug, Industrieprozessen und Strömungsauslegung in technischen Anlagen.

Wärmemenge

• Wärmemenge (Q)
• Joule (J)
• Kalorie (cal)
• Masse (m)
• Temperaturänderung (ΔT)

Energieaufnahme oder -abgabe eines Körpers

Die Wärmemenge beschreibt, wie viel Energie ein Körper aufnimmt oder abgibt. Sie hängt von der Masse des Stoffes, seiner spezifischen Wärmekapazität und der Temperaturänderung ab. Sie wird meist in Joule oder Kalorien angegeben. Dieses Konzept ist grundlegend für die Berechnung von Energiebedarf, Heizleistung und Abkühlvorgängen in physikalischen und technischen Systemen.

Berechnung von Heizlasten von Gebäuden, Dimensionierung von Heizsystemen, Energiemanagement, industrielle Wärmetechnik und thermische Auslegung von Bauteilen.

Latente Wärme

• Sublimieren
• Resublimieren

Energie ohne Temperaturänderung

Latente Wärme bezeichnet die Energie, die bei Phasenübergängen aufgenommen oder abgegeben wird, ohne dass sich die Temperatur ändert. Beispiele sind das Sublimieren von fest zu gasförmig oder das Resublimieren von gasförmig zu fest. Diese Energie wird für das Lösen oder Bilden von molekularen Bindungen genutzt, nicht zur Erhöhung der Teilchenbewegung.

Wichtig in Bauphysik bei Feuchteverhalten von Materialien, Taupunktberechnungen, Schimmelvermeidung, Klimakammern und Energieeffizienzberechnungen.