Wärmeübertragungsprozesse

Wärmeübertragung bezeichnet den Prozess, bei dem Wärmeenergie aufgrund eines Temperaturunterschieds von einem System auf ein anderes oder innerhalb eines Systems übertragen wird. Sie erfolgt hauptsächlich durch drei Mechanismen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung tritt vor allem in Festkörpern auf, wo Wärme durch atomare Gittervibrationen und Elektronenbewegungen übertragen wird. Konvektion umfasst den Transport von Wärme durch bewegte Fluide und kann natürliche Konvektion oder durch äußeren Antrieb verursacht werden. Strahlung ist die Übertragung von Wärmeenergie durch elektromagnetische Wellen und benötigt kein Medium.

Die drei Mechanismen werden durch zentrale Formeln beschrieben. Wärmeleitung folgt dem Fourier’schen Gesetz: Q = -k A (dT/dx), wobei k die Wärmeleitfähigkeit des Materials, A die Fläche und dT/dx der Temperaturgradient ist. Konvektion wird durch den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten h beschrieben: Q = h A ΔT, wobei ΔT der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und strömendem Medium ist. Strahlung folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz: Q = ε σ A (T^4 - T_s^4), mit ε Emissionsgrad, σ der Stefan-Boltzmann-Konstante, T die Absolute Temperatur der Fläche und T_s die Temperatur des umgebenden Raums. In technischen Anwendungen werden oft Wärmewiderstände verwendet, sodass Q = ΔT / R_th gilt. Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit k, Oberflächenemissivität ε und der Konvektionskoeffizient h bestimmen den Wärmefluss.

Anwendungen finden sich in Gebäuden zur Dämmung, in der Elektronik zur Kühlung, in der Industrie zur Prozesssteuerung und in der Energietechnik bei der Effizienzsteigerung von Wärmetauschern. Modellierung und Messung erfolgen häufig analytisch, experimentell oder numerisch (z. B. Finite-Elemente-Methoden).