Hitzeübertragung

Hitzeübertragung ist der Prozess, durch den thermische Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird, wenn ein Temperaturunterschied vorliegt. Es gibt drei fundamentale Mechanismen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. In vielen praktischen Situationen wirken diese Mechanismen gleichzeitig.

Die Wärmeleitung erfolgt durch Materie oder Grenzflächen, ohne dass sich das Material merklich bewegt. Die Wärmeleitfähigkeit k gibt an, wie gut ein Material Wärme führt. Der Wärmestrom pro Fläche lässt sich grob durch q = -k ∇T beschreiben. Die Materialeigenschaft k variiert stark: Metalle besitzen hohe k, Dämmstoffe niedrig. Ein typisches Beispiel ist eine Metallstange, an der ein Ende erhitzt wird, während das andere Ende abkühlt.

Die Konvektion entsteht durch die Bewegung eines Fluids, das Wärme transportiert. Es gibt natürliche Konvektion, die durch Dichteunterschiede angetrieben wird, und erzwungene Konvektion durch äußere Strömung. Der daraus resultierende Wärmestrom wird oft durch den Konvektionskoeffizienten h beschrieben: q = h A (T_s - T∞). Beispiele sind Luftstrom um einen Heizkörper oder Kühlmittel in einem Motor.

Die Strahlung ist die Übertragung elektromagnetischer Energie; sie benötigt kein Medium. Sie folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz P = ε σ A (T^4 - T_env^4) und hängt von der Oberflächenemissivität ε ab. Strahlung dominiert bei hohen Temperaturen oder im Vakuum, etwa bei der Sonne oder Heizelementen.

In technischen Systemen wirken oft alle drei Mechanismen zusammen. Zur Beschreibung benutzt man Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten, wie U, und Temperaturdifferenzen, z. B. in Wärmetauschern, Gebäudedämmung oder Elektronik-Kühlung.