Wärmeableitung

Wärmeableitung bezeichnet den Prozess, durch den Wärme von einem System in seine Umgebung abgegeben wird. Sie ist ein zentraler Bestandteil der Wärmeübertragung und umfasst mehrere Mechanismen: Wärmeleitung (durch feste Materialien), Konvektion (durch strömende Fluide) und Strahlung (Infrarot). Die reale Wärmeableitung erfolgt oft durch eine Kombination dieser Mechanismen.

Wärmeleitung erfolgt gemäß dem Fourier-Gesetz: Q̇ = -k A (dT/dx), wobei k die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist. Konvektion wird durch Q̇ = h A (T_s − T∞) beschrieben, mit dem Wärmeübergangskoeffizienten h. Strahlung folgt Q̇ = ε σ A (T_s^4 − T∞^4), wobei ε die Emissivität des Körpers und σ der Stefan-Boltzmann-Konstante ist. In der Praxis werden diese Mechanismen häufig kombiniert, insbesondere bei Bauteilen, Gehäusen oder Fluiden.

Wichtige Einflussfaktoren sind Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k), Oberflächenbeschaffenheit, Kontaktwiderstände, Geometrie und die Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem heißen System und seiner Umgebung. In der Technik werden thermische Widerstände genutzt, um die insgesamt zu leistende Wärmeableitung zu modellieren (R_th = ΔT/Q̇).

Anwendungsbereiche reichen von Elektronik- und Antriebstechnik bis zur Gebäudetechnik und dem Thermomanagement in Fahrzeugen. Zur Optimierung werden Kühlkörper, Wärmeleitpads, Wärmespreizer, Ventilatoren und geeignete Dämmung eingesetzt, um überschüssige Wärme effektiv abzuleiten und Bauteile vor Überhitzung zu schützen.

Messungen der Wärmeableitung erfolgen unter anderem durch Kalorimetrie, Infrarot-Thermografie und sensors basierte Temperatur- bzw. Wärmestrommessungen.