Wärmeübertragung
Man spricht von Wärmeübertragung, wenn zwischen Systemen mit einem Temperaturunterschied Thermische Energie von einem System zum anderen übertragen wird (Wärmeausgleich oder Wärmeübergang). Die Wärmeübertragung wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten.
Dies kann auf drei Arten erfolgen:
- Bei Wärmeleitung wird kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen übertragen. Diese Art der Wärmeübertragung ist irreversibel und findet immer vom höheren Energieniveau auf das niedrigere statt.
- Durch Wärmestrahlung mittels elektromagnetischer Wellen. Sie erfolgt hauptsächlich im infraroten Spektrum. Hier gibt es nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm. Der Wärmestrom von warm nach kalt ist aber immer größer als umgekehrt, so dass die Resultierende von beiden Wärmeströmen immer von warm nach kalt zeigt. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied wird insgesamt immer verringert.
- Bei Konvektion oder Wärmeströmung wird Wärme von einem System auf ein strömendes Fluid übertragen, als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt und an anderer Stelle vom strömenden Fluid auf andere Körper übertragen.
Meist wirken bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Innerhalb von Festkörpern findet nur Wärmeleitung statt, in Flüssigkeiten und Gasen Wärmeleitung gekoppelt mit Konvektion, d. h. W-Strömung. Wärmestrahlung findet (vorzugsweise) zwischen Oberflächen, aber v.a. auch im Vakuum, statt, wobei ein- und zweiatomige Gase für die Strahlung praktisch durchlässig (diatherman) sind.
Auch im Gleichgewichtszustand (= gleiche Temperatur) tauschen Systeme Wärme aus. Allerdings sind abgegebene und aufgenommene Wärme gleichgroß, so dass sich die Effekte kompensieren.
Beispiel: Wärmeübertragung im Kühlsystem eines Verbrennungsmotors
In flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren wird die beim Verbrennungsprozess anfallende Wärme vom Zylinder durch Wärmeleitung auf das Wärmetransportmittel Wasser übertragen und durch erzwungene Konvektion an den Kühler abtransportiert (Wasserkühlung).
Unter erzwungener Konvektion versteht man den Wärmetransportmechanismus in Flüssigkeiten und Gasen, bei dem durch makroskopische Strömungsvorgänge (z.B. mechanischer Antrieb durch Propeller von Pumpen oder Ventilatoren) Wärme in Form von innerer Energie von einem Ort zum anderen befördert wird.
Der Wärmeübergang an das Fluid ist dabei maßgeblich von der Strömungsform abhängig. In laminare Strömungaminaren Strömungen erfolgt der Wärmetransport durch die fehlenden Querbewegungen der Teilchen überwiegend durch Wärmeleitung. In turbulenter Strömung hingegen übersteigt der Wärmeaustausch durch Mischbewegung wesentlich den durch Wärmeleitung und Reibung. Da sich an der benetzten Oberfläche eines angeströmten Festkörpers durch Reibung immer eine laminare Grenzschicht ausbildet, ist der Wärmeübergang maßgeblich von der Dicke dieser Grenzschicht abhängig.
Nachfolgendes Bild veranschaulicht die Teilchen-Geschwindigkeiten und die mittlere Temperatur eines Fluids bei erzwungener Konvektion an einer heißen Wand und einem kühlen Fluid.
Nach der Übertragung der Wärme an das Fluid wird diese vom Stoffstrom aus dem Verbrennungsmotor zum Kühlmittelkühler transportiert. Die Wärmeübertragung im Kühler erfolgt nach dem gleichen physikalischen Prinzip, wie im Verbrennungsmotor. Die Wärme fließt über die Rohrwände an die Kühllamellen und wird von dort vom Luftmassenstrom aufgenommen und abtransportiert.
An den Kühllamellen des Kühlers bildet sich ebenfalls eine laminare Grenzschicht der Kühlluft aus, durch dessen Wärmeleitung der Wärmetransport maßgeblich bedingt ist.
siehe auch:
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