Wärmeübertragung

Wärmeübertragung bezeichnet den energetischen Transfer zwischen Systemen oder Teilen eines Systems aufgrund eines Temperaturunterschieds. Sie kann auf drei physikalischen Mechanismen beruhen: Leitung, Konvektion und Strahlung. In vielen Anwendungen wirken mehrere Mechanismen gleichzeitig.

Wärmeleitung erfolgt durch Molekül- oder Elektronentransport, ohne nennenswerte Bewegung des Materials. In der Regel gilt das Fourier'sche Gesetz: q = -k ∇T, wobei q die Wärmestromdichte ist und k die Wärmeleitfähigkeit des Materials. In einer eindimensionalen Wand vereinfacht sich dies zu Q = -k A dT/dx, wobei A die Querschnittsfläche ist. Wärmeleitfähigkeit ist temperaturabhängig und charakteristisch für jedes Material.

Durchströmt ein Fluid ein Temperaturgefälle, so erfolgt der Wärmetransfer durch Konvektion. Der Wärmestrom wird oft beschrieben durch q = h A (T_s - T∞), wobei h der Wärmeübergangskoeffizient ist, T_s die Oberflächentemperatur und T∞ die Fluidtemperatur. h hängt von Fluid, Strömung und Oberflächenbeschaffenheit ab; es gibt natürliche und erzwungene Konvektion. In der Praxis werden oft zusätzliche dimensionale Zahlen (z. B. Nusselt-, Reynolds- und Prandtl-Zahlen) herangezogen, um Strömungseffekte zu charakterisieren.

Wärmestrahlung erfolgt auch ohne Medium. Sie wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben: q'' = ε σ (T1^4 - T2^4), wobei ε die Emissivität, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante ist. Strahlung hängt von Oberflächenfläche, Temperaturen, Emissivität und Sichtfaktoren ab.

Wärmeübertragung spielt eine zentrale Rolle in der Technik: Gebäudeisolierung, Wärmeübertrager in der Prozess- und Energietechnik, Elektronik-Kühlung und Materialbearbeitung. Designentscheidungen nutzen Biot-, Nusselt- und andere Kennzahlen, um Grenzflächenübergänge zu bewerten.