Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Wärmetransport

Wenn zwei Körper unterschiedliche Temperaturen haben und miteinander in Kontakt stehen, so gleichen sie allmählich ihre Temperaturen aneinander an. Dabei fliesst die Wärme vom wärmeren Körper zum kälteren. Dies kann man beispielsweise beobachten, wenn man eine Tasse heissen Kaffee (oder Tee) vor sich hat und diese eine Weile stehen lässt. Die Wärme aus dem Getränk geht allmählich in die umgebende Luft über und der Kaffee (oder Tee) kühlt sich ab, bis er Raumtemperatur hat. 

Temperaturangleichung kommt auch vor, wenn man sich eine Kugel Eis kauft, diese allerdings im Becher stehen lässt und wartet. Das Eis nimmt einen Teil der Wärme aus der Luft auf und erwärmt sich dadurch selbst. Dies geht so lange, bis das Eis schmilzt und das flüssige Eis Raumtemperatur erreicht hat.

Physikalisch unterscheidet man zwischen verschiedenen Prozessen im Bereich des Wärmeübergangs. 

Wenn man ein Ei kocht, dann treten gleich viele verschiedene Prozesse auf einmal auf, welche mit Wärmestrahlung oder Wärmetransport zu tun haben: 

Die Prozesse werden nun im Einzelnen erklärt:

Wärmestrahlung

Jeder Körper gibt Wärmestrahlung ab, je heisser, desto mehr. Bei Sonne, Feuer, kochendem Wasser und der heissen Herdplatte in der Küche merkt man das sehr schnell. 

Wenn Wärmestrahlung auf einen Körper trifft, dann erwärmt sich dieser, weil er die Wärmestrahlung teilweise aufnimmt (absorbiert).

Wärmestrahlung verläuft auch durch den luftleeren Raum. Dies ist beispielsweise bei der Sonnenstrahlung der Fall.

Wenn ein Körper eine gewisse Temperatur überschreitet, dann sendet er neben der Wärmestrahlung auch Licht aus. Der Körper beginnt also zu glühen.

Doch auch Körper, die nicht sichtbar glühen, senden Strahlung aus, sogenannte Infrarotstrahlung. Diese ist für uns Menschen nicht sichtbar, es gibt jedoch spezielle Kameras (Wärmebildkameras), welche Infrarotstrahlung sichtbar machen. Einige Tierarten können Infrarotstrahlung sehen. Dazu gehören Schlangen, einige Insektenarten, Fische und Frösche.

Wärmestrahlung kann nicht nur von Körpern aufgenommen (absorbiert) werden, sondern auch von diesen reflektiert werden. Das funktioniert am besten bei Körpern, die helle Farben haben. Reflexion von Strahlung kennst Du bereits vom Spiegel. In der Tat ist ein Spiegel ein Körper, der nahezu alles an Strahlung reflektiert, die auf ihn fällt. 

Alles an Wärmestrahlung, das nicht reflektiert wird oder vom Körper absorbiert wird, geht durch den Körper durch. Bei Glas beispielsweise geht der Grossteil der Strahlung durch den Körper durch. Deswegen kann man durch Glas auch durchsehen.

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Wärmetransport

Wärmemitführung

 Wärme kann transportiert werden von dem Körper, in welchem die Wärme steckt. Dies kann man beispielsweise bei dem warmen Wasser im Heizungsrohr beobachten. Das Wasser fliesst durch die Rohre durchs Haus und transportiert dabei die Wärme mit sich. 

Auch Luft kann Wärme mitführen. Dies ist zum Beispiel bei der Luft über einer Kerzenflamme der Fall. Allgemein ist es so, dass warme Luft sich ausdehnt und deswegen nach oben steigt, während kühlere Luft auf den Boden absinkt. Dies ist auch grossflächig zu beobachten, wenn es ums Wetter geht: Wenn viel feuchte, warme Luft aufsteigt, entsteht ein Tiefdruckgebiet. Dann kann es zu Unwettern und Regen kommen. 

Wenn jedoch viel trockene, kalte Luft auf den Boden absinkt und sich erwärmt, so kommt es zu einem Hochdruckgebiet. Die Folgen sind schönes Wetter und hohe Temperaturen.

Wärmeleitung

Berühren sich zwei Körper mit unterschiedlichen Temperaturen, so gleichen sich die Temperaturen aneinander an; Wärme fliesst vom Körper mit der höheren Temperatur zum Körper mit der niedrigeren Temperatur, bis am Ende beide Körper die gleiche Temperatur haben. Vorsicht: Unter "Körper" können hierbei auch Gase verstanden werden, wie beispielsweise die Luft. Deswegen kommt es dazu, dass Eis schmilzt und dass ein heisses Getränk abkühlt, wenn man etwas wartet.

Beispiel 1:

In einem abgeschlossenen Gefäss werden $$100 \ ml$$ kaltes Wasser ($$10 °C$$) mit $$100 \ ml$$ warmem Wasser ($$70°C$$) zusammen gegeben. Wenn man so lange wartet, bis sich die Temperaturen ausgeglichen haben und sich das Wasser vollständig vermischt hat, wie ist dann die Endtemperatur des Wassers im Gefäss?

Da die Mengen, welche zusammen gegeben wurden, gleich sind (und weil es zu keiner Aggregatzustandsänderung kommt), ist die Endtemperatur einfach der Mittelwert aus den beiden Anfangstemperaturen: 

$$\underline{T_{\text{ende}}}=\frac{T_1+T_2}{2}=\frac{10°C+70°C}{2}=\frac{80°C}{2}=\underline{40°C}$$​​

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Die Endtemperatur beträgt $$40°C$$.

Beispiel 2:

In einem abgeschlossenen Gefäss werden $$900 \ ml$$ kaltes Wasser ($$10°C$$) mit $$100 \ ml$$ warmem Wasser ($$70°C$$) zusammen gegeben. Wenn man so lange wartet, bis sich die Temperaturen ausgeglichen haben und sich das Wasser vollständig vermischt hat, wie ist dann die Endtemperatur des Wassers im Gefäss?

Da die Mengen, welche zusammen gegeben wurden, diesmal nicht gleich sind, muss man die Temperaturen prozentual betrachten. Vom gesamten Wasser im Gefäss ($$1 \ l$$) haben $$90 \ \%$$ die niedrigere Temperatur und die anderen $$10 \ \%$$ die höhere Temperatur. Daher gilt für die Mischtemperatur:

$$\underline{T_{\text{ende}}}=0{,}9\cdot 10°C+0{,}1\cdot 70°C=\underline{16°C}$$​​

Die Mischtemperatur beträgt in diesem Fall also $$16°C$$. Wie man sieht, ist es wichtig, die jeweiligen Wärmemengen klar zu unterscheiden. 

Wärmestrahlung, Wärmetransport und Wärmeleitung treten oft gemeinsam auf. Gleich ist bei Ihnen, dass die Wärme von dem heisseren Körper zum kälteren übergeht.

Allgemein gilt: Je grösser der Temperaturunterschied, desto schneller wird die thermische Energie übertragen. Ein $$600 °C$$ heisses Eisenstück, welches nach dem Schmieden zum kühlen zur Seite gelegt wird, kühlt also wesentlich schneller um $$10°C$$ ab, als eine $$50°C$$ warme Wärmflasche. 

Isolierung

Was kann man tun, um Wärmeverluste zu vermeiden? Dies ist beispielsweise an kalten Tagen im Haus wichtig, damit die Heizung effektiv arbeiten kann, oder aber wenn man warmen Tee mit in die Schule nehmen möchte. In solchen Fällen hilft Isolierung. Die dicken isolierten Wände des Hauses halten grosse Teile der Wärme im Haus davon ab, nach draussen zu gelangen (der Effekt wird stark vermindert, sobald man die Fenster öffnet). Bei der Thermoskanne ist es so, dass sich zwischen mehreren Metallschichten ein Hohlraum mit Luft darin befindet. Auch dies wirkt isolierend und hilft dabei, die Wärme vom Tee ein wenig länger aufrechtzuerhalten.

Übrigens: Auch der (natürliche) Fettanteil im menschlichen Körper dient der Wärmeisolierung.

Es gibt Stoffe, die Wärme sehr gut leiten. Dies sind meistens Metalle, wie Silber, Kupfer und Stahl. Andere Stoffe sind schlechte Wärmeleiter. Dazu gehören Wasser, Luft, Styropor, Holz und Papier.