Wärmeübergangkoeffizient

Wärmeübergang, auch Wärmeübertragung genannt, ist der Transport thermischer Energie aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen Körpern oder innerhalb von Stoffen. Er erfolgt vor allem durch Wärmeleitung (Konduktion), Wärmekonvektion an Grenzflächen zu Fluiden sowie Wärmestrahlung. In technischen Anwendungen treten oft Mischformen auf, etwa bei Bauteilen, Gebäuden oder Wärmetauschern.

Wärmeleitung wird durch das Fourier‑sche Gesetz beschrieben: q" = -k dT/dx, wobei q" der Wärmestrom pro Flächeneinheit, k die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist. Für einfache Bauteile ergibt sich der thermische Widerstand R_th = L/(kA) und Q = ΔT / R_th. Der Biot‑Zahl Bi = hL_c/k dient zur Beurteilung transiente Probleme; bei Bi<0,1 lässt sich eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung annehmen (Lumped-Capacitance-Ansatz).

Konvektion beschreibt den Wärmefluss an Grenzflächen zu Fluiden durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz: q" = h ΔT, wobei h der Wärmeübergangskoeffizient ist. Konvektion kann natürlich auftreten oder durch äußere Anregung (erzwungene Konvektion) erfolgen. Die Wärmeströme hängen von Strömungsgeschwindigkeit, Eigenschaften des Fluids und der Oberflächenbeschaffenheit ab.

Wärmestrahlung erfolgt unabhängig vom Medium und wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben: P/A = εσ (T^4 − T_env^4). ε ist die Emissivität der Oberfläche, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante (5,670×10^-8 W/m^2K^4).

In technischen Systemen treten die Mechanismen oft zusammen auf. Der Gesamtwärmefluss bei stationären Bedingungen wird durch Q = U A ΔT_lm beschrieben, wobei U der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient, A die Fläche und ΔT_lm der logaritmische Temperaturunterschied ist. Wärmeübergang ist entscheidend für Gebäudedämmung, Elektronikkühlung, Wärmetauscherdesign und viele weitere Anwendungen.