Die drei Arten der Wärmeübertragung

Die drei Arten der Wärmeübertragung Übung

• Beschreibe die drei Arten der Wärmeübertragung.

  Tipps

  Überlege dir, welche Beschreibung zu welcher Art der Wärmeübertragung passt. Versuche, die Begriffe in deinen eigenen Worten zu erklären und ihre Merkmale zu identifizieren.

  Denke an konkrete Beispiele für jede Art der Wärmeübertragung: Visualisiere Situationen, in denen Wärme übertragen wird, und überlege, welcher Mechanismus dahintersteckt.

  Lösung

  Bei der Wärmeübertragung wird ein Teil der Energie von einem warmen Körper an einen kälteren abgegeben. Das geschieht so lange, bis ein Temperaturausgleich stattgefunden hat und beide Körper dieselbe Temperatur haben. Es gibt drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung.

  Wärme: Das ist thermische Energie, die übertragen werden kann.

  Wärmestrahlung: Die Wärmeübertragung findet durch elektromagnetische Strahlung (vor allem Infrarotlicht) statt.

  Wärmeströmung: Die Wärmeübertragung findet durch Stofftransport innerhalb oder zwischen Flüssigkeiten und Gasen statt.

  Wärmeleitung: Die Wärmeübertragung findet durch Stöße zwischen Teilchen innerhalb eines Körpers oder über direkten Kontakt zwischen Körpern statt.

• Definiere, wie ein Wärmetransport stattfindet.

  Tipps

  Überlege, wie sich die Temperaturunterschiede zwischen den beiden Seiten des Körpers auf den Wärmetransport auswirken könnten. Denke darüber nach, wie sich Wärme in einem System mit einem Bereich höherer Temperatur und einem Bereich niedrigerer Temperatur bewegt.

  Denke darüber nach, wie der Körper Wärme leitet oder überträgt und welche Mechanismen dabei eine Rolle spielen könnten.

  Lösung

  Der Körper weist eine Temperaturdifferenz auf. Er ist also an der einen Seite wärmer als an der anderen. Es findet ein Wärmetransport statt, und zwar immer von warm nach kalt. Die Energie strebt danach, sich möglichst gleichmäßig zu verteilen.
  Das können wir mit der Teilchenbewegung erklären: Weil sich aufgrund einer Erhitzung am warmen Ende des Körpers die Teilchen stark bewegen, stoßen sie mit den umliegenden Teilchen zusammen. Durch die Stöße zwischen den Teilchen breitet sich die Bewegung im Körper aus – so lange, bis sich alle Teilchen gleichermaßen stark bewegen. Dann ist der Körper überall gleich warm und es besteht keine Temperaturdifferenz mehr.

  Und so lautet der Satz richtig:

  Der Wärmetransport findet durch Wärmeleitung von $\mathbf{80}~^\circ \text{C}$ zu $ \mathbf{20}~^\circ \text{C}$ statt.

• Bestimme, welcher Griff beim Kochen schneller heiß wird.

  Tipps

  Berücksichtige die Wärmeübertragung: Denke daran, dass Wärme durch Wärmeleitung von einem heißen Objekt auf ein kälteres übertragen wird. Betrachte also die Wärmeübertragung vom Topf bzw. von der Pfanne auf den Griff.

  Beachte, dass Plastik und Metall nicht die gleiche Wärmeleitfähigkeit haben.

  Metall hat aufgrund seiner spezifischen Struktur und chemischen Eigenschaften eine bessere Wärmeleitfähigkeit.

  Lösung

  Wärmeleitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie effizient durch das Material zu übertragen. Um die Frage zu beantworten, welcher Griff beim Kochen schneller heiß wird, müssen wir also die verschiedenen Materialien und deren Eigenschaften betrachten. In diesem Fall vergleichen wir die Griffe aus Plastik und Metall.

  Beide Griffe werden gleich schnell heiß.

  Die Wärmeübertragung hängt von den Materialien ab, aus denen die Griffe bestehen. Metallgriffe haben normalerweise eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Plastikgriffe. Das bedeutet, dass Metall Wärme effizienter leitet als Plastik. Wenn ein Topf oder eine Pfanne auf einer Wärmequelle erhitzt wird, dann wird die Wärme durch das Metall schneller auf den Metallgriff übertragen als auf den Plastikgriff. Daher wird der Griff aus Metall in der Regel schneller heiß als der Griff aus Plastik.

  $\Rightarrow$ Diese Aussage ist nicht korrekt.

  Der Griff aus Metall wird schneller heiß als der Griff aus Plastik.

  Metallgriffe haben eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Plastikgriffe. Metall kann die Wärme effizienter durch den Griff leiten als Plastik. Deshalb wird der Metallgriff schneller heiß als der Plastikgriff, wenn der Topf oder die Pfanne auf einer Wärmequelle erhitzt wird.

  $\Rightarrow$ Diese Aussage ist korrekt.

  Der Griff aus Plastik wird schneller heiß als der Griff aus Metall.

  Wie bereits erwähnt, hat Metall eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Plastik. Plastik isoliert den Griff besser vor der Hitze und leitet die Wärme nicht so effizient wie Metall. Darum wird der Griff aus Plastik normalerweise langsamer heiß als der Griff aus Metall.

  $\Rightarrow$ Diese Aussage ist nicht korrekt.

  Keiner der Griffe wird heiß.

  Wenn ein Topf oder eine Pfanne auf einer Wärmequelle erhitzt wird, dann wird die Wärme über den Topf oder die Pfanne auf den Griff übertragen. Je nach Material des Griffs wird dieser sich erwärmen. Sowohl Metallgriffe als auch Plastikgriffe können sich beim Kochen erwärmen. Metallgriffe werden jedoch aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit in der Regel heißer als Plastikgriffe.

  $\Rightarrow$ Diese Aussage ist nicht korrekt.

• Beschreibe, welche Art der Wärmeübertragung bei diesen Beispielen den größten Anteil hat.

  Tipps

  Wärmeleitung ist der Prozess, bei dem Wärmeenergie durch direkten Kontakt zwischen Materialien übertragen wird, indem Moleküle ihre kinetische Energie durch Kollisionen weitergeben.
  Ein Beispiel dafür ist eine Hand auf einer Herdplatte.

  Wärmestrahlung ist die Übertragung von Wärmeenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, die sich ohne direkten Kontakt zwischen den Objekten ausbreitet.
  Ein Beispiel dafür ist die Sonne.

  Wärmeströmung tritt auf, wenn warme Materie wie Luft oder Flüssigkeiten aufgrund von Temperaturunterschieden aufsteigt, während kühlere Materie nachströmt, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen, wodurch Wärmeenergie transportiert wird.
  Ein Beispiel dafür ist der Golfstrom.

  Lösung

  Wärmeleitung ist der Prozess, bei dem Wärmeenergie durch direkten Kontakt zwischen Materialien übertragen wird, indem Moleküle ihre kinetische Energie durch Kollisionen weitergeben.

  Wärmestrahlung ist die Übertragung von Wärmeenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, die sich ohne direkten Kontakt zwischen den Objekten ausbreitet.

  Wärmeströmung tritt auf, wenn warme Materie wie Luft oder Flüssigkeiten aufgrund von Temperaturunterschieden aufsteigt, während kühlere Materie nachströmt, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen, wodurch Wärmeenergie transportiert wird.

  Wärmeströmung:

  • Föhn

  Ein Föhn erzeugt warme Luft, indem er elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese dann mithilfe eines Gebläses über eine Heizspirale an die vorbeigeströmte kalte Umgebungsluft abgibt. Die erwärmte Luft wird nicht passiv durch ihre geringere Dichte nach oben gezogen, sondern es entsteht ein aktiver Austausch, bei dem kühlere Luft von unten nachströmt und die aufsteigende warme Luft schließlich aus dem Föhn herausströmt und sich in der Umgebung verteilt. Dieser Auftrieb und Austausch von warmer und kühler Luft wird als Wärmeströmung bezeichnet.

  • Heizung

  Eine Heizung erzeugt Wärme, indem elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese Wärmeenergie erwärmt die Luft in unmittelbarer Nähe der Heizung. Da warme Luft eine geringere Dichte hat, steigt sie nach oben, während kühlere Luft von unten nachströmt, um den entstehenden Raum zu füllen. Dieser Auftrieb und Austausch von warmer und kühler Luft wird als Wärmeströmung bezeichnet. Die warme Luft strömt dann in den Raum und erwärmt ihn.

  Wärmeleitung:

  • Eiswürfel in deiner Hand

  Wenn du einen Eiswürfel auf deine Hand legst, dann besteht ein Temperaturunterschied: Der Eiswürfel ist kalt, während deine Hand eine höhere Temperatur hat. Wärme fließt immer von einem Bereich höherer Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur, um ein thermisches Gleichgewicht herzustellen. In diesem Fall wird die Wärme von deiner Hand auf den Eiswürfel übertragen.

  • Löffel in einer Tasse mit heißem Tee

  Wärmeleitung tritt auf, wenn zwei Objekte direkt miteinander in Kontakt stehen und unterschiedliche Temperaturen haben. In diesem Fall besteht direkter Kontakt zwischen dem Löffel und dem heißen Tee. Der Löffel besteht in der Regel aus Metall, das ein guter Wärmeleiter ist, während der Tee eine höhere Temperatur hat als der Löffel. Wird der Löffel in den heißen Tee eingetaucht, erfolgt eine Übertragung von Wärmeenergie von der Flüssigkeit (Tee) auf den Löffel. Dies geschieht aufgrund der Bewegung der Moleküle in beiden Materialien.

  Wärmestrahlung:

  • Mikrowelle

  Bei einer Mikrowelle kommt es zur Wärmestrahlung als Teil des Erwärmungsprozesses der Lebensmittel. Die Wärmestrahlung in einer Mikrowelle wird durch die erzeugten Mikrowellen selbst verursacht. Eine Mikrowelle erzeugt elektromagnetische Strahlung in Form von Mikrowellen, die eine bestimmte Energie und Frequenz haben. Wenn die Mikrowellen erzeugt werden, dann werden sie im Inneren des Mikrowellenofens reflektiert und verteilen sich im gesamten Garraum. Treffen die Mikrowellen auf die Lebensmittel, passieren sie diese und interagieren mit den Molekülen im Inneren der Lebensmittel: Durch Mikrowellen werden die Moleküle im Essen in Schwingungen versetzt, was eine Form von Energieübertragung ist. Diese Schwingungen erhöhen die kinetische Energie der Moleküle und erhöhen somit ihre Temperatur. Die erhöhte Temperatur ist ein Maß für die Wärme im Essen, da sie auf die Bewegung und Kollision der Moleküle zurückzuführen ist.

• Benenne die drei Arten der Wärmeübertragung.

  Tipps

  Denke an unterschiedliche Möglichkeiten der Wärmeübertragung: Wärme kann auf verschiedene Arten von einem Ort zum einem anderen gelangen.
  Überlege, welche Prozesse mit Wärmeübertragung in Verbindung stehen könnten.

  Konzentriere dich auf die Begriffe und versuche, sie zu verstehen.
  Überlege, welche Begriffe dir bereits bekannt sind oder welchen du in der Schule oder in der Alltagssprache schon begegnet bist.

  Lösung

  Bei der Wärmeübertragung wird ein Teil der Energie von einem warmen Körper an einen kälteren abgegeben. Das geschieht so lange, bis ein Temperaturausgleich stattgefunden hat und beide Körper dieselbe Temperatur haben. Es gibt drei verschiedene Arten der Wärmeübertragung.

  Erhitzt man eine große Schraube nur auf einer Seite, so merkt man schnell, dass die komplette Schraube warm wird: Bei der Wärmeleitung wird nur die Wärme innerhalb eines Körpers weitergegeben, die einzelnen Teilchen verlassen ihren Platz nicht. Sie tritt deshalb häufig in Festkörpern auf. Die angeregten Atome auf der Seite der Erwärmung schwingen durch die höhere Temperatur immer schneller. Diese schnellere Schwingung wird von Atom zu Atom bis zum anderen Ende des Festkörpers übertragen. Es kommt zu einem Temperaturausgleich innerhalb des Körpers.

  Im Gegensatz zur Wärmeleitung ist die Wärmeströmung immer verbunden mit einem Transport von Teilchen. Deshalb beschränkt sie sich auf Flüssigkeiten und Gase. Die transportierten Teilchen führen ihre Energie mit und können diese an einem kälteren Ort abgeben.

  Bei der Wärmestrahlung wird Wärme durch elektromagnetische Strahlung übertragen. Diese können von Stoffen reflektiert, absorbiert oder hindurchgelassen werden.

  Die drei Arten der Wärmeübertragung lauten also Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmeströmung.

• Erläutere, warum Pflanzen in Gewächshäusern besonders gut wachsen.

  Tipps

  Die Temperatur der Luftschicht über dem Boden steigt durch eine bestimmte Art der Wärmeübertragung an, bei der die Wärme direkt von einem wärmeren Körper auf einen kälteren Körper übertragen wird: Welcher Begriff beschreibt diese Art der Wärmeübertragung?

  Im Inneren des Gewächshauses entsteht durch die aufsteigende warme Luft eine bestimmte Art der Wärmeübertragung, bei der die warme Luft nach oben steigt und die kalte Luft nach unten fällt: Wie nennt man diese Art der Wärmeübertragung?

  Die Verglasung des Gewächshauses verhindert die Ausbreitung einer bestimmten Art der Wärmeübertragung nach außen, bei der die Wärme durch Strahlung transportiert wird: Wie nennt man diese Art der Wärmeübertragung, die von einem wärmeren Körper durch elektromagnetische Wellen abgegeben wird?

  Lösung

  Die Wärme der Sonne gelangt mithilfe von Wärmestrahlung ungehindert durch das Glas und wird vom Boden und von den Pflanzen absorbiert.

  Begründung: Wärmestrahlung ist die Form der Energieübertragung, bei der die Wärme von der Sonne in Form elektromagnetischer Wellen übertragen wird.

  Dadurch kommt es zu einer Erwärmung und biochemischen Prozessen. Die Temperatur der Luftschicht über dem Boden steigt durch Wärmeleitung an.

  Begründung: Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärmeenergie durch direkten Kontakt zwischen den Teilchen eines Materials, was zur Erwärmung der Luft führt.

  Die warme Luft steigt nach oben, wodurch es im Inneren des Beets zu einer Wärmeströmung kommt.

  Begründung: Wärmeströmung beschreibt den Auftrieb und Austausch von warmer und kühler Luft, der durch die Erwärmung und die Veränderung der Dichte der Luft entsteht.

  Die Verglasung verhindert fast jegliche Wärmeübertragung zurück nach außen in die Umgebung.

  Begründung: Wärmeübertragung bezieht sich auf den Transport von Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen, und in diesem Fall wird die Übertragung der Wärme von innen nach außen durch die Verglasung blockiert.

  Sie blockiert die Wärmeströmung der erwärmten Luft und ist ein schlechter Wärmeleiter. Zusätzlich wird kaum Infrarotstrahlung von der erwärmten Innenfläche nach außen abgegeben.

  Begründung: Obwohl Glas für sichtbares Licht durchlässig ist, blockiert es bestimmte Wellenlängen der Wärmestrahlung, die von der Erde und von den Pflanzen abgegeben wird.