a Wärmeleitung Wenn zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt kommen, treffen an der Grenzfläche die schnellen, energiereichen Teilchen des heißen Körpers auf die langsamen des kälteren Körpers. Durch elastische Stöße wird Energie auf die energieärmeren Teilchen übertragen (99.1). Zunächst geschieht dies nur an der Grenzfläche, doch wird durch weitere Stöße allmählich auch das Innere des Körpers erfasst, bis die Temperatur schließlich überall gleich ist. Die beiden Körper sind nun im thermischen Gleichgewicht. Wie gut Stoffe Wärme leiten, hängt von den Bindungen ihrer Teilchen ab. Metalle leiten Wärme besonders gut. Silber leitet am besten. Wolle, Stroh, Papier, Kork, Schnee oder z. B. Styropor leiten Wärme schlecht. Diese Stoffe enthalten in ihrer porösen Struktur den schlechten Wärmeleiter Luft. In Flüssigkeiten und Gasen spielt Wärmeleitung eine geringe Rolle. Warum sollten wir uns mit Wärmeleitung befassen? Die Beheizung von Gebäuden erfordert derzeit etwa ein Viertel des gesamten Energiebedarfs. Die Energiequellen dafür sind vor allem Erdöl und Erdgas, die jedoch einerseits immer teurer werden und andererseits durch ihre Verbrennung CO2 in die Atmosphäre ausstoßen und so den Klimawandel beschleunigen. Betrachten wir als einfaches Modell eine Platte (99.2) mit der Dicke d und der Fläche A. Zwischen den beiden Seiten der Platte gibt es einen Temperaturunterschied, der mit ΔT bezeichnet wird (T1 − T2 = ΔT). Fließt durch die Platte in der Zeit Δt die Wärme ΔQ, dann ist der Wärmestrom ΔQ/Δt. Er wird in W gemessen. Die Erfahrung zeigt, dass der Wärmestrom zum Temperaturgefälle ∆T/d zwischen den beiden Seiten der Platte und zur Fläche A proportional ist. Damit erhalten wir ein einfaches Gesetz: Wärmetransport durch Wärmeleitung ΔQ _ Δt = λ·A· ΔT _ d Der materialabhängige Faktor λ heißt Wärmeleitfähigkeit (99.3). b Wärmeströmung Flüssigkeiten und Gase transportieren Wärme hauptsächlich durch Strömung (Konvektion). Über heißen Körpern, z. B. einer Herdplatte oder einem Heizkörper der Zentralheizung, kann man beobachten, dass warme Luft nach oben strömt. Wenn in einer Flüssigkeit oder einem Gas ein Teilvolumen erwärmt wird, dann dehnt es sich aus und die Dichte nimmt relativ zur kühleren Umgebung ab. Durch Auftrieb bewegt sich das erwärmte Material nach oben. Ein Teil des kälteren Stoffs aus der Umgebung fließt nach unten und nimmt den Raum des aufsteigenden Stoffs ein, es entsteht eine Zirkulation. Der strömende Stoff transportiert Energie zwischen verschiedenen Orten und überträgt sie (meist durch Wärmeleitung) auf andere Körper. Die Wärmeströmung spielt bei vielen natürlichen Prozessen eine Rolle. Wichtig ist die Auswirkung auf das Wetter (Winde), die Energieumwälzungen in den Ozeanen (z. B. Golfstrom) und die globalen Klimazonen. 99.4 zeigt, wie an Küsten im Tagesverlauf zum Land gerichtete Winde entstehen. Bei Sonnenschein erwärmt sich das Land schneller als die Wasseroberfläche. Über dem Land steigt Luft auf, kühlere Luft strömt am Boden vom Meer zum Land. In der Nacht kühlt das Land schneller ab als die Wasseroberfläche, der Wind weht nun vom Land zum Meer. Neben der freien Strömung, die durch Temperaturunterschiede und die damit verbundenen Dichteunterschiede hervorgerufen wird, spielt die erzwungene Konvektion in der Technik eine große Rolle: Umwälzpumpen unterstützen die Wasserzirkulation in Warmwasserheizungen. Auch der Blutkreislauf funktioniert durch erzwungene Konvektion. Das Herz pumpt Blut durch die Adern: Sauerstoff und Nährstoffe werden zu den Zellen transportiert, CO2 und Stoffwechselprodukte werden entfernt. Zusätzlich sorgt der Blutkreislauf für eine konstante Kerntemperatur des Körpers, indem die Durchblutung der Extremitäten je nach der Außentemperatur geregelt wird. Stoff Wärmeleitfähigkeit λ in W m−1 K−1 Silber 430 Beton 2,1 Vollziegel 0,7 Glas 0,7 Wasser 0,6 Styropor 0,05 Kork 0,04 Wolle 0,04 Luft 0,03 99.3 Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe 99.1 Energieübertragung durch Wärmeleitung. Oben: Die schnellen Teilchen des heißen Körpers übertragen durch Stöße Energie auf die langsamen Teilchen des kälteren Körpers. Unten: Der Vorgang endet, wenn die Temperatur in beiden Körpern gleich ist. 99.2 Wärmeleitung durch eine homogene Platte A T1 T T T 1 2 > > T2 Q t d 99.4 Bei Tag: Das Land erwärmt sich schneller als die Meeresoberfläche, die Luft steigt auf, der Wind kommt vom Meer. In der Nacht kühlt das Land schneller aus und der Wind bläst zum Meer. Nacht Tag 99 Thermodynamik 1 Atome lieben Wärme Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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