Abkühlungsrate

Die Abkühlungsrate beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur eines Körpers oder Systems durch Wärmeabgabe an die Umgebung absinkt. Sie wird üblicherweise als Änderungsrate der Temperatur pro Zeiteinheit angegeben, also dT/dt, wobei das Vorzeichen negativ ist, wenn die Temperatur sinkt. Die Abkühlungsrate hängt von der Temperaturdifferenz, den Wärmeübertragungsparametern und den Materialeigenschaften ab.

Mathematisch lässt sich die Abkühlung mit dem Newtonschen Abkühlungsgesetz annähern. Für einen Körper mit konstanter spezifischer Wärme c, Masse m und einer konstanten effektiven Wärmeübergangskoeffizienten h gilt: dT/dt = -(h A)/(m c) · (T − T_um), wobei T_um die Umgebungstemperatur ist. Oft wird für eine einfache Umgebungslage die Lösung T(t) = T_um + (T0 − T_um) e^(−t/τ) mit der Zeitkonstante τ = m c / (h A) verwendet. In Fällen mit signifikanter Wärmeleitung oder Strahlung kann der Ausdruck erweitert werden, z. B. durch k oder emissivity ε.

Wichtige Einflussfaktoren sind materialbezogene Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k, spezifische Wärme c, Dichte ρ), Geometrie und Oberflächenverhältnis (A/V), Oberflächenzustand, Bewegungs- oder Strömungssituation (natürliche oder erzwungene Konvektion), Umgebungsbedingungen sowie Phasenwechsel und latente Wärmemenge, die die effektive Abkühlungsrate beeinflussen. Phasenwechsel können die Abkühlung auch deutlich verzögern, da latente Wärme absorbiert oder freigesetzt wird.

Anwendungsfelder sind die Werkstoffbearbeitung, wo die Abkühlungsrate den Gefügeausbildungsweg beeinflusst, die Lebensmittelindustrie, wo Kühlketten und Sicherheit eine Rolle spielen, sowie verschiedene temperaturgesteuerte Prozesse in Technik und Forschung. Messungen erfolgen typischerweise mit Thermoelementen oder Sensorik zur Erfassung von T über die Zeit.