Grundlagen der Wärmeübertragung

Wärmeströmungen entstehen in Körpern, deren Temperaturniveau nicht ausgeglichen ist. Die Wärme fließt grundsätzlich von Stellen mit höherer Temperatur zu Stellen mit niedrigerer Temperatur, also in Richtung des Temperaturgefälles. Lehnt sich jemand mit 37 °C Körpertemperatur an eine kalte Fensterscheibe mit 5 °C Oberflächentemperatur, so gibt er Wärme ab, er friert. Der Begriff „Kälte“ ist ein subjektives Empfinden, physikalisch gesehen enthält jeder Stoff eine bestimmte Wärmemenge, umgangssprachlich ist es unterhalb von 0 °C „kalt“.

Besäße ein Stoff 0 K (Kelvin), enthielte er 0 J (Joule). Dies ist jedoch nur theoretisch vorstellbar.

Wärmeenergie kann auf drei verschiedene Arten übertragen werden:

• Wärmeleitung

• Wärmemitführung(Konvektion)

• Wärmestrahlung.

Erwärmte Körper senden elektromagnetische Wellen mit einem hohen Anteil im Infrarotbereich aus. Zu ihrer Übertragung ist keine Materie erforderlich. Die Sonnenstrahlen setzen sich aus 46 Prozent langwelligen Wärmestrahlen (Infrarot, Wellenlänge 780 bis 3000 nm), 47 Prozent sichtbaren Lichtstrahlen (Wellenlänge 380 bis 780 nm) und 7 Prozent ultravioletten Strahlen (Wellenlänge unter 380 nm) zusammen und werden sowohl im luftgefüllten wie auch im luftleeren Raum wie z. B. im Weltraum übertragen (Abb. 3-1). Beim Auftreffen der Strahlen auf Materie, wie Holz, Glas, Haut, Stein etc., wird die Strahlungsenergie in Wärmebewegung der Moleküle umgesetzt (Energieumwandlung). Der Mensch empfindet Strahlungswärme als die angenehmste Form der Wärmeübertragung. Sie wird von den Wärmerezeptoren unserer Haut aufgenommen und im Gewebe in Körperwärme umgewandelt. Ein behagliches Strahlungswärmeklima, wie beispielsweise vom Kachelofen (ca. 90 % Strahlung), entspricht dem Klima in der Natur im Sommer. Die Aufnahmefähigkeit eines der Wärmestrahlung ausgesetzten Körpers hängt von der Oberflächenbeschaffenheit ab.

Körper mit dunkler und rauher Oberfläche absorbieren (aufnehmen) mehr Wärme (schwarze Kollektorfläche), helle und glatte reflektieren (zurückwerfen) mehr. Aus diesem Grund wird im Sommer helle Kleidung getragen, welche die Sonnenstrahlen reflektieren.

Der für uns Menschen wichtigste Wärmeproduzent ist die Sonne. Durch Strahlung liefert sie bei senkrechtem Auftreffen ca. 1,37 kW/m² min (Solarkonstante) im Sommer.

Die Emissionsverhältnisse der Materialoberflächen werden im Vergleich zum total schwarzen Körper, der die höchste Strahlungskonstante mit CS = 5,67 W/ m² · K4 besitzt, angegeben (Tab. 3-1). Es fällt auf, dass blanke Metalle ein äußerst geringes, Nichtmetalle ein hohes Emissionsverhältnis aufweisen. Erst mit der Metallbeschichtung der inneren Glasscheibe verringerte sich der Energieverlust der Verglasung immens (Abb. 3-2).

Diese Art der Wärmeübertragung erfolgt durch Massentransport (Strömung). Sie ist daher nur in Gasen und Flüssigkeiten möglich.

Strömungen können durch Eigenauftrieb z. B. warme Luft (Thermik), warmes aufsteigendes Wasser (Schwerkraftheizung) oder Zwangsumwälzung z. B. durch Ventilator oder Pumpe entstehen.

Beispiele von Konvektion:

Haarfön, Heißluftgebläse, Warmwasserleitung mit Schwerkraft oder Umwälzpumpe, Ventilator in Trockenkammer zur technischen Holztrocknung, Golfstrom im Atlantik.

Die Gas- oder Flüssigkeitsströmung transportiert die Wärme von der Wärmequelle weg zu weniger warmen Oberflächen wie Wänden, Decken, Fußböden (Abb. 3-4).

Das Verhältnis Strahlung zu Strömung wird bestimmt durch die Oberfläche des Heizkörpers einerseits und durch seine Temperatur andererseits. Je größer die Oberfläche, desto höher steigt der Strahlungsanteil. Je höher die Temperatur, desto höher der Konvektionsanteil.

In Gebäuden wirkt sich die Wärmemitführung besonders dann negativ aus, wenn Fugen z. B. bei Fenstern, Türen oder beim Anschluss von Dach-Wand nicht dicht ausgeführt werden und es dann „zieht“, d. h. zu großen Lüftungswärmeverlusten führt. Von Nutzen ist die Konvektion, wenn die bewegte Luft bei einer hinterlüfteten Wandverkleidung oder einer hinterlüfteten Dachhaut eventuell angefallene Feuchtigkeit aufnimmt und wegtransportiert.

Diese Form des Wärmetransportes ist an das Vorhandensein von Materie gebunden, die Wärme wird von Teilchen zu Teilchen in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern übertragen, ohne dass dabei Masse transportiert wird. Die Bewegungsenergie der Moleküle und Atome höherer Temperatur überträgt sich durch Stoß-vorgänge auf solche niedrigerer Temperatur. Der Stoff selbst bleibt unbewegt, lediglich die Energie wird weitergeleitet. (Abb. 3-5).

Die Schnelligkeit des Wärmetransportes hängt vom Material ab. Stoffe mit hoher Dichte z. B. Metalle wie Silber, Kupfer, Eisen etc. leiten Wärme schnell, sie sind gute Wärmeleiter.

Holz, Polyurethanschaum, Polystyrolschaum (z. B. Styropor), Mineralwolle etc., Gase wie (stehende) Luft und vor allem Leichtgase wie Argon oder Xenon leiten Wärme langsam – sie werden als schlechte Wärmeleiter bezeichnet. Vakuum isoliert vollkommen.

Beispiele, bei denen Wärmeleitung vorkommt:

Herdplatte, Bügeleisen, Furnierpresse, Lötkolben, Betonwand. Warme Raumluft in Gebäuden wird zu einem großen Teil über Wärmeleitung der Gebäudehülle an die kalte Außenluft abgegeben.

Kuno Schlatter