WärmeKopplungen

WärmeKopplungen bezeichnet in der Thermodynamik die Wechselwirkung zwischen zwei oder mehr Systemen durch den Austausch von Wärme. Sie modellieren, wie Temperaturänderungen in einem Teilbereich Temperaturänderungen in anderen Bereichen beeinflussen, wenn Wärme durch Kontakt, Strahlung oder gemeinsame Medien übertragen wird. Wärme-Kopplung ist eine Form der energetischen Kopplung, bei der Energie nicht durch Massetransport, sondern über Wärmefluss übertragen wird.

Typen der Kopplung ergeben sich aus dem Mechanismus des Wärmetransfers: direkter Kontakt (z. B. zwei Bauteile, die Wärme austauschen), Strahlung (oberflächennahe Wärmeabgabe) und indirekte Kopplung über ein gemeinsames Medium wie Luft oder Wasser. In technischen Anwendungen wird die Kopplung oft über Wärmeübertragungskoeffizienten oder eine Kopplungsmatrix beschrieben, wobei Diagonalelemente die Selbstwärmeübertragung der Subsysteme und Off-Diagonalelemente die Kopplung zueinander darstellen. Die Kopplung kann zeitlich transient oder stationär sein.

Anwendungsbeispiele finden sich in der Elektronik (thermische Kopplung zwischen Bauteilen), in der Gebäudetechnik (Mehrzonen-Wärmehaushalt), in der Energie- und Verfahrenstechnik (Kraft-Wärme-Kopplung, KWK) sowie in der Materialwissenschaft (Phononenkopplung). In der Praxis dient die Analyse von WärmeKopplungen der Optimierung von Wärmeverteilung, Energieeffizienz und thermo-mechanischer Stabilität von Systemen.

Mathematisch lassen sich kopplende Systeme oft durch Gleichungen des Wärmeflusses beschreiben: cp_i dT_i/dt = Σ_k G_{ik}(T_k − T_i) + Q_i, wobei G_{ik} Kopplungskonstanten und Q_i äußere Wärmequellen sind. Im Gleichgewicht gilt Σ_k G_{ik}(T_k − T_i) + Q_i = 0.