Wärmeleitung

Was ist Wärmeleitung? 

Die Wärmeleitung ist eine Art der Wärmeübertragung durch Körper aufgrund eines Temperaturunterschieds. Dabei wandert die Wärme von Bereichen mit höherer Temperatur zu Bereichen mit niedrigerer Temperatur. Die Wärmeleitung findet statt:

• innerhalb eines Stoffes,
• von einem Stoff zu einem anderen Stoff (Wärmeübergang) oder
• durch einen Stoff hindurch (Wärmedurchgang).

Jeder Stoff kann die Wärme unterschiedlich leiten. Es gibt gute Wärmeleiter (z. B. Metalle), aber auch schlechte Wärmeleiter (z. B. Kunststoffe oder Luft). So wird der Metallgriff einer Pfanne auch warm, obwohl er die Herdplatte gar nicht direkt berührt. Ist der Griff hingegen aus Kunststoff, bleibt er kühler.

Der Wärmetransport kann auf drei Arten stattfinden: durch Wärmeleitung (auch Konduktion genannt), durch Wärmestrahlung  oder durch Wärmeströmung .

Richtung der Wärmeleitung 

Die Voraussetzung für die Leitung von Wärme ist ein Temperaturunterschied. Nur wenn zwei Bereiche eines Stoffes unterschiedliche Temperaturen besitzen, kann ein Temperaturausgleich und somit die Wärmeleitung stattfinden. Dabei verbreitet sich die Wärme immer vom Ort höherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur.

Die Wärmeübertragung hängt zusätzlich von folgenden Faktoren ab:

• Material des Stoffs
• Temperaturdifferenz
• Größe des Stoffs (Länge und Querschnittsfläche)
• Zeit

Wärmeleitung Formel 

Die Wärmeübertragung Q innerhalb eines Stoffes kannst du auch berechnen. Dafür benötigst du die Wärmeleitfähigkeit λ des Stoffs, die Querschnittsfläche A des Stoffs, die Zeit der Wärmeleitung t, die Temperaturdifferenz und die Länge l.

Bei der Wärmeleitfähigkeit λ handelt es sich um eine Konstante, die von Stoff zu Stoff unterschiedlich ist. Mit dem jeweiligen Wert lassen sich die guten Wärmeleiter von den schlechten Wärmeleitern unterscheiden.

Wärmeleiter 

Die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen ist unterschiedlich. Es gibt daher gute und schlechte Wärmeleiter. Je größer der Wert der Wärmeleitfähigkeit λ ist, desto besser leitet er die Wärme. Im Folgenden siehst du ein paar Beispiele.

• Gute Wärmeleiter sind vor allem Metalle, wie Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium. Aber auch Diamant zählt beispielsweise zu den guten Wärmeleitern. Die hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass in einer bestimmten Zeit mehr Wärme übertragen werden kann.
• Schlechte Wärmeleiter sind vorwiegend Kunststoffe, Holz, Luft, Wasser oder auch Glas. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit ist z. B. bei Dämmstoffen (wie Glaswolle oder Styropor) zur Wärmedämmung von Häusern gefragt. Es kann also nur wenig Wärme in einer bestimmten Zeit übertragen werden.

Wärmeübergang

Als Wärmeübergang bezeichnest du die Wärmeleitung von einem Stoff zu einem anderen Stoff. Meistens erfolgt die Wärmeübertragung zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit oder einem Gas. 

Mit dem Wärmeübergangskoeffizient α , der Querschnittsfläche A, der Zeit t und der konstanten Temperaturdifferenz  kannst du die übertragene Wärme Q berechnen.

Ein typisches Beispiel ist der heiße Kochtopf, der das Wasser oder das Essen in ihm erwärmt.

Wärmedurchgang

Unter dem Wärmedurchgang verstehst du die Wärmeleitung von einem Stoff durch einen zweiten Stoff hindurch in einen dritten Stoff. Meistens erfolgt die Wärmeübertragung von einer Flüssigkeit durch eine Wand in eine zweite Flüssigkeit. Dabei können die Stoffe außen auch gasförmig sein.

Es kommt also zu drei Vorgängen:

• Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit 1/dem Gas 1 und der Oberfläche der Wand
• Wärmeleitung durch die Wand
• Wärmeübergang zwischen der Oberfläche der Wand und der Flüssigkeit 2/dem Gas 2

Mit dem Wärmedurchgangskoeffizient k , der Querschnittsfläche A, der Zeit t und der konstanten Temperaturdifferenz  kannst du wieder die übertragene Wärme Q berechnen.

Typische Beispiele für den Wärmedurchgang sind die Wärmeübertragung von einem geheizten Zimmer durch ein geschlossenes Fenster in die Außenluft oder durch die Wand in ein benachbartes Zimmer.

Wärmeleitung im Alltag

Für die Wärmeleitung gibt es verschiedenste Anwendungsbereiche. Im Folgenden siehst du einige Beispiele:

• Kochtöpfe: Wenn ein Kochtopf mit seiner Unterseite die Herdplatte berührt, erwärmt sich nach einiger Zeit der gesamte Topf. Auch die Stellen, die nicht direkt auf der Herdplatte aufliegen. Das liegt am Material (z. B. Stahl) aus dem der Kochtopf besteht. Er kann die Wärme sehr gut leiten.
• Kühlkörper: Er vergrößert die wärmeabgebende Oberfläche eines wärmeproduzierenden Bauteils. Dabei besteht er meistens aus Aluminium oder Kupfer, um möglichst viel Wärme abzuleiten.

Allerdings ist die Wärmeleitung auch teilweise unerwünscht und muss vermieden werden.

• Töpfe und Pfannen: Durch die Wärmeleitung erwärmt sich der gesamte Topf, der auf einer Herdplatte steht. Damit du ihn trotzdem anfassen kannst, muss ein Material verwendet werden, das die Wärme nur schwer leiten kann. So werden häufig Griffe aus Kunststoff verwendet.
• Wände und Fenster von Häusern: Damit die Wärme in einem Haus nicht einfach in die Außenluft geleitet wird, werden Materialien (z. B. Glas und Beton) verwendet, die eine Wärmeleitung weitestgehend verhindern sollen.

Wärmestrahlung

Mit der Wärmeleitung hast du jetzt eine Art der Wärmeübertragung kennengelernt. Doch wie kann Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen werden? Schau dir jetzt unser Video zur Wärmestrahlung an und finde es heraus!