Wärmeübertragungs

Wärmeübertragung ist der Transfer thermischer Energie zwischen Körpern oder innerhalb eines Körpers aufgrund eines Temperaturunterschieds. Sie erfolgt vor allem durch drei Mechanismen: Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung. Die relative Bedeutung hängt von Material, Geometrie und Randbedingungen ab.

Wärmeleitung erfolgt durch Molekül- und Elektronentransport in festen Stoffen. Sie wird durch das Fourier'sche Gesetz beschrieben: q'' = -k ∇T, wobei q'' die Wärmestromdichte, k die Wärmeleitfähigkeit des Materials und ∇T der Temperaturgradient ist. Materialien mit hoher k leiten Wärme gut; Dämmstoffe weisen geringe k auf.

Wärmeströmung entsteht durch Bewegung von Fluiden. Sie kann natürlich (aufgrund von Dichteunterschieden) auftreten oder erzwungen werden. Die Größe der Wärmeübertragung wird oft durch den Wärmeübergangskoeffizienten h beschrieben: q'' = h (T_s - T∞). Höhere Strömung, Turbulenz oder viskose Eigenschaften erhöhen h und damit den Wärmefluss.

Wärmestrahlung ist elektromagnetische Übertragung, die kein Medium benötigt. Sie folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: q'' = ε σ (T^4 - T∞^4). ε ist die Emissivität der Oberfläche, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, und T die absolute Temperatur der Fläche. Emission hängt von Oberfläche, Abstand und Sichtfaktor ab.

In technischen Systemen wirken die drei Mechanismen oft zusammen. Die Auslegung nutzt oft den Gesamtwärmeübergangkoeffizienten oder thermische Widerstände, um den Gesamtwärmestrom zu beschreiben. Wärmetauscher verwenden getrennte Medien, um Wärme effizient zu übertragen.

Anwendungsgebiete reichen von Gebäudetechnik und Elektronikkühlung bis zu Industrieprozessen und Energietechnik. Modellierungen verwenden analytische Lösungen für einfache Probleme oder numerische Verfahren (z. B. Finite-Elemente- oder Finite-Volumen-Verfahren). Ziel ist die Minimierung von Verlusten und die Betriebssicherheit.