Wärmfluss

Wärmfluss bezeichnet den Transport von Wärme aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen Systemen oder innerhalb eines Mediums. Er beschreibt, wie viel Wärme pro Zeit durch eine Fläche oder durch ein Materialsegment fließt. Die Größe kann als Wärmestrom Q in Watt (W) oder als Wärmeflussdichte q'' in W/m^2 angegeben werden.

Die drei grundlegenden Mechanismen des Wärmeflusses sind Wärmeleitung (Konduktion), Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung (Radiation). Wärmeleitung erfolgt durch Molekül- und Elektronenwechselwirkungen und kann in anisotropen Materialien unterschiedlich stark sein. Konvektion entsteht durch Strömungen von Fluiden und wird durch einen Konvektionskoeffizienten h beschrieben. Strahlung erfolgt auch im Vakuum und folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz, wobei P/A = ε σ (T^4 − T_env^4) gilt.

Wichtige Gesetze sind Fourier’s Gesetz der Wärmeleitung: q = −k ∇T, wobei q der Wärmeflussvektor und k die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist. In eindimensionaler Form lautet das Verhältnis q_x = −k dT/dx. Für Konvektion gilt Q = h A (T_s − T∞). Die Gesamtübertragung lässt sich durch den Gesamtwärmedurchgangskoeffizienten U beschreiben.

Wärmefluss kann in stationäre (Gleichgewichtszustand) oder transiente Prozesse unterteilt werden; Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte sowie Geometrie bestimmen den Verlauf.

Anwendungsbeispiele finden sich in der Gebäudeisolierung, Elektronik-Kühlung, Wärmeübertragungsanlagen und dem Thermomanagement. Messungen nutzen Temperaturprofile, Sensoren oder Thermografie, um q'' und Q abzuleiten.