Zusammenfassung

  • Diskutieren Sie die verschiedenen Methoden der Wärmeübertragung.

Gleichermaßen interessant wie die Auswirkungen der Wärmeübertragung auf ein System sind die Methoden, mit denen dies geschieht. Wann immer ein Temperaturunterschied besteht, findet eine Wärmeübertragung statt. Die Wärmeübertragung kann schnell erfolgen, wie z. B. durch eine Kochpfanne, oder langsam, wie z. B. durch die Wände einer Picknick-Kühltruhe. Wir können die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung durch die Wahl der Materialien (z. B. dicke Wollkleidung für den Winter), die Steuerung der Luftbewegung (z. B. die Verwendung von Dichtungsbändern an den Türen) oder durch die Wahl der Farbe (z. B. ein weißes Dach, das das Sonnenlicht im Sommer reflektiert) steuern. So viele Prozesse sind mit Wärmeübertragung verbunden, dass man sich kaum eine Situation vorstellen kann, in der keine Wärmeübertragung stattfindet. Dennoch findet jeder Prozess, bei dem Wärme übertragen wird, auf nur drei Arten statt:

  1. Leitung ist Wärmeübertragung durch stationäre Materie durch physikalischen Kontakt. (Die Materie ist auf einer makroskopischen Skala stationär – wir wissen, dass es bei jeder Temperatur über dem absoluten Nullpunkt eine thermische Bewegung der Atome und Moleküle gibt.) Wärme, die zwischen dem elektrischen Brenner eines Herdes und dem Boden einer Pfanne übertragen wird, wird durch Konduktion übertragen.
  2. Konvektion ist die Wärmeübertragung durch die makroskopische Bewegung einer Flüssigkeit. Diese Art der Übertragung findet z. B. in einem Umluftofen und in Wettersystemen statt.
  3. Wärmeübertragung durch Strahlung findet statt, wenn Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht oder eine andere Form von elektromagnetischer Strahlung ausgesendet oder absorbiert wird. Ein offensichtliches Beispiel ist die Erwärmung der Erde durch die Sonne. Ein weniger offensichtliches Beispiel ist die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers.
Die Abbildung zeigt einen Kamin in einem Raum. Der Kamin befindet sich an der unteren linken Seite der Figur. An der rechten Seite des Raumes befindet sich ein Fenster. Vom Fenster aus dringt kalte Luft in den Raum ein und folgt einigen gebogenen blauen Pfeilen, die mit Konvektion beschriftet sind, zum Kamin. Die durch das Feuer erwärmte Luft steigt durch den Kamin auf und folgt dabei einigen roten gebogenen Pfeilen, die ebenfalls mit Konvektion beschriftet sind. Von den Flammen des Feuers gehen gelbe Wellenlinien in den Raum aus, die mit Strahlung beschriftet sind. Schließlich geht eine schwarze gebogene Linie, die mit Konduktion bezeichnet wird, von den Scheiten des Feuers aus und zeigt in den Boden unter dem Raum.
Abbildung 1. In einem Kamin erfolgt die Wärmeübertragung durch alle drei Methoden: Leitung, Konvektion und Strahlung. Strahlung ist für den größten Teil der in den Raum übertragenen Wärme verantwortlich. Die Wärmeübertragung erfolgt auch durch Konduktion in den Raum, aber mit einer viel langsameren Rate. Die Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt ebenfalls durch kalte Luft, die an den Fenstern in den Raum eintritt, und durch heiße Luft, die den Raum verlässt, indem sie durch den Schornstein aufsteigt.

In den folgenden drei Modulen werden diese Methoden im Detail untersucht. Jede Methode hat einzigartige und interessante Eigenschaften, aber alle drei haben eines gemeinsam: Sie übertragen Wärme ausschließlich aufgrund eines Temperaturunterschieds Abbildung 1.

Kontrollieren Sie Ihr Verständnis

1: Nennen Sie für jeden Mechanismus der Wärmeübertragung ein Beispiel aus dem täglichen Leben (nicht aus dem Text).

  • Wärme wird durch drei verschiedene Methoden übertragen: Leitung, Konvektion und Strahlung.

Konzeptfragen

1: Welches sind die Hauptmethoden der Wärmeübertragung vom heißen Erdkern zur Erdoberfläche? Von der Erdoberfläche in den Weltraum?

2: Wenn es unserem Körper zu warm wird, reagiert er mit Schwitzen und erhöhter Blutzirkulation an der Oberfläche, um Wärmeenergie vom Kern wegzutransportieren. Welchen Effekt hat dies auf eine Person in einem 40,0o C warmen Whirlpool?

3: Abbildung 2 zeigt eine Schnittzeichnung einer Thermosflasche (auch als Dewar-Kanne bekannt), die speziell dafür entwickelt wurde, alle Formen der Wärmeübertragung zu verlangsamen. Erläutern Sie die Funktionen der verschiedenen Teile, wie das Vakuum, die Versilberung der Wände, den dünnwandigen langen Glashals, die Gummiauflage, die Luftschicht und den Stopfen.

Die Abbildung zeigt eine Schnittzeichnung einer Thermosflasche, wobei verschiedene Teile beschriftet sind.
Abbildung 2. Die Konstruktion einer Thermosflasche ist so ausgelegt, dass alle Methoden der Wärmeübertragung unterbunden werden.

Glossar

Konduktion Wärmeübertragung durch stationäre Materie durch physischen Kontakt Konvektion Wärmeübertragung durch die makroskopische Bewegung von Flüssigkeit Strahlungswärmeübertragung, die auftritt, wenn Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht oder andere elektromagnetische Strahlung emittiert oder absorbiert wird

Lösungen

Kontrollieren Sie Ihr Verständnis

1: Konduktion: Wärme wird in Ihre Hände übertragen, wenn Sie eine heiße Tasse Kaffee halten.

Konvektion: Wärmeübertragung, wenn der Barista kalte Milch „dämpft“, um heißen Kakao zu machen.

Strahlung: Das Wiederaufwärmen einer kalten Tasse Kaffee in der Mikrowelle.

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