Wärmestromströme

Wärmestromströme bezeichnet man als Ströme von thermischer Energie, die aufgrund eines Temperaturunterschieds durch ein Medium oder zwischen Medien transportiert werden. Sie sind kein Ladungs- oder Teilchenfluss, sondern der Transport von Wärmeenergie von Bereichen mit höherer Temperatur zu solchen mit niedrigerer Temperatur.

Es gibt drei Hauptmechanismen, über die Wärmestromströme auftreten können: Leitung (Konduktion), Konvektion und Strahlung. Die Leitung erfolgt in Festkörpern durch Austausch von Phononen und Elektronen und ist besonders bedeutend in Metallen; die Konvektion beschreibt den Transport durch die Bewegung von Fluiden (Luft, Wasser); die Strahlung transportiert Wärme durch elektromagnetische Wellen und ist unabhängig vom Medium, wobei sie mit zunehmender Temperatur stark wird.

Mathematisch wird der conductive Wärmestrom durch die Fourier-Gesetze beschrieben. Der Wärmestromdichtevektor q'' (W/m^2) wird durch q'' = -k ∇T angegeben, wobei k die thermische Leitfähigkeit des Materials ist. Bei anisotropen Materialien kann k als Tensor auftreten. In der zeitlichen Entwicklung gilt die Wärmeleitungsgleichung, ∂u/∂t = α ∇^2 u, wobei u die Temperatur, α die thermische Diffusivität (α = κ/(ρ c_p)) und κ die Wärmekapazität pro Volumen beschreibt. In stationären Situationen gilt ∇·q = 0.

Anwendungen des Verständnisses von Wärmestromströmen finden sich in der Gebäudedämmung, der Elektronik- und Maschinenkühlung, in Wärmetauschern sowie in vielen Bereichen der Thermodynamik und Wärmeübertragung. Das Konzept hängt eng mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusammen, wonach Wärme spontan fließt, von höheren zu niedrigeren Temperaturen.