Wärmetransport

An einem heißen Sommertag setzt sich niemand gern auf eine Metallbank. Denn sie kann sehr heiß werden. Eine Holzbank dagegen fühlt sich nicht heiß an. Der Grund dafür liegt darin, dass Wärme unterschiedlich übertragen werden kann – durch Leitung, Strömung oder Strahlung.

Arbeitsmittel

3 Arten von Wärmetransport

Wärme „fließt“ durch einen Körper. Diesen Wärmefluss nennt man Wärmetransport. Es gibt drei Arten von Wärmetransport: Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung.

Arten von Wärmetransport: Wärmeleitung – Wärmeströmung – Wärmestrahlung
Arten von Wärmetransport

Wärmeleitung

Eine Tasse heißer Tee mit einem Metalllöffel und eine Tasse mit einem Plastiklöffel drinnen
Ein Löffel ist aus Plastik, der andere aus Metall.

Diese Löffel schauen genau gleich aus. Einer ist aber aus Plastik, der andere aus Metall.

Ordne die Gegenstände nach ihrer Wärmeleitfähigkeit!

Ziehe die Gegenstände nacheinander in das jeweils richtige Feld!

Warum sind manche Stoffe gute Wärmeleiter, andere dagegen schlechte Wärmeleiter? Das hängt mit der inneren Struktur der Stoffe zusammen. In einem guten Wärmeleiter wird die Wärme schneller weitergegeben, weil die Teilchen (Atome oder Moleküle) stark aneinander gebunden (große Molekularkräfte) sind.

Bei Metallen kommt noch ein weiterer Grund dazu. Metalle leiten sowohl die Wärme als auch den elektrischen Strom sehr gut, weil bei Metallen freie Elektronen vorhanden sind, die sehr beweglich sind. Die folgende Animation zeigt, wie dieses sogenannte „Elektronengas“ zur guten Wärmeleitfähigkeit beiträgt.

Kerze

Durch das Erwärmen erhöht sich die Geschwindigkeit der Teilchen und damit stoßen automatisch mehr Teilchen aneinander. Diese Zusammenstöße bewirken, dass diese Bewegung weitergegeben wird. Damit wandert die Wärme von der Wärmequelle weg.

Luft ist ein schlechter Wärmeleiter. Das kann man in diesem Experiment feststellen:

Warum leiten Stoffe die Wärme unterschiedlich gut? Jeder Stoff besteht aus Atomen und Molekülen. Und zwischen diesen Teilchen herrschen Molekularkräfte (Kohäsion und Adhäsion). Je stärker diese Kräfte sind, umso besser kann die Wärme weitergeleitet werden. Grundsätzlich sind diese Kräfte im festen Aggregatzustand am stärksten, im flüssigen Aggregatzustand weniger stark und im gasförmigen Aggregatzustand noch weniger stark. Deshalb ist sogar im selben Stoff die Wärmeleitfähigkeit nicht immer gleich gut.

Wärmeempfindung kann täuschen

Angenommen im Zimmer auf dem Tisch liegt ein Hammer. Er liegt hier schon seit längerer Zeit. Deshalb haben Metallteil und Holzstiel des Hammers dieselbe Temperatur. Dies kann man mit einem Infrarotthermometer feststellen. Trotzdem fühlt sich der Metallteil kälter an als der Holzstiel.

Hammer mit Metallkopf und Holzstiel
Metallteil und Holzstiel eines Hammers fühlen sich oft nicht gleich warm an

Warum fühlt sich der Metallteil kälter an als der Holzstiel?

Metall leitet die Wärme von der Hand schneller weg als das Holz. Wenn Wärme vom menschlichen Körper schneller weggeleitet wird, dann glaubt das Gehirn, dass dieser Gegenstand kälter ist. Man nennt das eine Wahrnehmungstäuschung.

Wir empfinden nicht immer alles so, wie es objektiv richtig ist.

Wärmeströmung

Die Wärmeströmung (Konvektion) kann man gut an einer brennenden Kerze erkennen. Die Luft oberhalb der Flamme erwärmt sich und dehnt sich aus. Dadurch wird diese Luftsäule spezifisch leichter und steigt auf. Es entsteht eine Wärmeströmung der Luft.

Wichtig
Warme Luft steigt auf.
Weihnachtspyramide
Bei der Weihnachtspyramide wird die Wärmeströmung der Luft ausgenutzt.

Wärmeströmung kann man auch als Dichteströmung verstehen.

Konvektion in einem Raum
Auch in einem Zimmer gibt es die Wärmeströmung.

Im Winter, wenn die Heizung eingeschaltet ist, kommt es in einem Zimmer zu einer Wärmeströmung, in diesem Fall zu einer Luftzirkulation. Die Luft oberhalb des Heizkörpers erwärmt sich, wird spezifisch leichter, steigt nach oben und wandert dann oben der Decke entlang. Dabei kühlt sie ab und sinkt wieder nach unten.

Hast du dich schon einmal darüber geärgert, dass der Rauch immer genau zu dir kommt, wenn du bei einem Lagerfeuer sitzt? Das ist kein Zufall. Das liegt an der Wärmeströmung. Die heiße Luft oberhalb des Lagerfeuers steigt auf und saugt dabei von allen Seiten kältere Luft an. Dort, wo du sitzt, blockierst du diesen Luftzufluss, es entsteht ein Unterdruck und die Luft mit dem Rauch zieht zu dir hin. Das kannst du hier ausprobieren:

Auch die Kaminwirkung bei einem Holzofen beruht auf der Wärmeströmung. Das kannst du bei diesem Experiment feststellen. Wichtig: Dieses Experiment nur gemeinsam mit einer erwachsenen Person durchführen!

Wärmestrahlung

Die Sonne ist ungefähr 150 Millionen Kilometer von uns entfernt und zwischen Sonne und Erde gibt es nur extrem wenig Materie. Wie ist es möglich, dass die Wärme der Sonne trotzdem bis zu uns gelangt? Das ist möglich, weil in diesem Fall der Wärmetransport auf Wärmestrahlung beruht. Wärmestrahlung ist ein elektromagnetischer Vorgang, der ohne Materie und ohne Teilchenbewegung funktioniert.

Die Sonne sendet elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen aus. Mit unseren Augen können wir die elektromagnetische Strahlung zwischen 380 Nanometer und 750 Nanometer als Licht wahrnehmen. Elektromagnetische Strahlung mit längeren Wellenlängen als 750 Nanometer werden in Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen eingeteilt. Elektromagnetische Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als 380 Nanometer produziert UV-Licht, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen.

Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung

Welche elektromagnetische Strahlung wird beschrieben?

Blutsaugende Insekten (z. B. Wanzen, Moskitos) können Infrarotstrahlung wahrnehmen. Damit können sie die Körperwärme von Tieren und Menschen „sehen“ und sie erkennen, wo sich ihre Beute befindet.

Eine Familie sitzt vor dem Ofen und wärmt sich
Wärmestrahlung an einem kalten Wintertag
Katze genießt die warme Sonne
Auch Katzen lieben Wärmestrahlung.

Bring die Blume zum Blühen

Pflanzen wachsen, blühen und bilden Früchte. Dafür brauchen sie rotes Licht und blaues Licht. Außerdem mögen es auch Pflanzen nicht gern, wenn es zu heiß oder zu kalt ist. Versorge die Pflanze mit allen Arten von elektromagnetischer Strahlung, die sie benötigt und bring sie so zum Blühen!

Jeder Körper sendet je nach seiner Temperatur mehr oder weniger Wärme aus. Wenn ein Körper sehr heiß ist, kann er auch sichtbares Licht aussenden.

Wenn man zum Beispiel Stahl sehr stark erhitzt, sieht man das Glühen des Stahls. Je nachdem, wie stark man Stahl erhitzt, glüht er in einer anderen Farbe.

Bezeichnung Temperatur des Stahls
Helle Weißglut 1300 °C
Mattweißglühend 1200 °C
Hellgelb 1100 °C
Gelb 1000 °C
Gelbrot 900 °C
Hellkirschrot 800 °C
Dunkelkirschrot 700 °C
Braunrot 600 °C
Glühende Stahlschiene in der Voest Alpine
Glühende Stahlschiene
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