Wärmetransport

An heißen Sommertagen setzen wir uns lieber auf eine Holzbank als auf eine Metallbank. Das hängt damit zusammen, wie Wärme übertragen werden kann – durch Leitung, Strömung oder Strahlung. Was trifft wohl auf das Metallbank-Beispiel zu?

Arbeitsmittel

3 Arten von Wärmetransport

Wärme kann auf drei Arten „fließen“:
WärmeleitungWärmeströmungWärmestrahlung

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

Wärmeleitung

In den beiden Tassen ist ein Löffel aus Plastik und der andere Löffel aus Metall – aber welcher ist welcher?

Eine Tasse heißer Tee mit einem Metalllöffel und eine Tasse mit einem Plastiklöffel drinnen
Welcher Löffel ist aus Plastik, welcher aus „echtem“ Metall?

Ordne die Gegenstände nach ihrer Wärmeleitfähigkeit!

Ziehe jeweils einen guten und einen schlechten Wärmeleiter in die jeweilige Box, um sie zu vergleichen!

Warum verschiedene Stoffe Wärme unterschiedlich leiten, hängt mit der inneren Struktur des Stoffes zusammen. Sind die Teilchen (Atome oder Moleküle) stark aneinander gebunden (große Molekularkräfte), dann wird die Wärme schneller weitergegeben.

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, wodurch es zu mehr Zusammenstößen der Teilchen kommt. Dadurch wird diese Bewegung weitergegeben und somit „wandert“ die Wärme von der Wärmequelle weg.

Die schlechte Wärmeleitung von Luft kannst du selbst an folgendem Versuch sehen:

Wie erklärt man sich die unterschiedliche Wärmeleitung der Stoffe? Die Ursache der Wärmeleitung liegt in der Weitergabe der Bewegung der Teilchen, aus denen der Stoff besteht. Zwischen den Teilchen herrschen Molekularkräfte (Kohäsion und Adhäsion). Je stärker diese Kräfte sind, desto besser kann die Wärme weitergeleitet werden. Bei ein und demselben Stoff sind die Molekularkräfte im festen Zustand stärker als in der flüssigen Phase und hier wieder stärker als im gasförmigen Aggregatzustand.

Wärmeempfindung hängt nicht von der Temperatur ab

Wenn du den Metallteil des Hammers und den Holzstiel angreifst, dann fühlt sich das Metall kälter an als das Holz. Beide liegen aber schon einige Zeit im selben Raum und müssen daher die selbe Temperatur haben. In der Schule habt ihr vielleicht ein Infrarotthermometer. Mit dem kann man diese Temperaturgleichheit feststellen.

Hammer mit Metallkopf und Holzstiel
Welcher Teil des Hammers fühlt sich kälter an?

Wie erklärt man diesen gefühlten aber nicht tatsächlich vorhandenen Unterschied beim Wärmeempfinden?

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 es kälter ist, als bei jenem Teil, wo diese Wärmeableitung nicht so schnell vor sich geht. Man nennt das eine Wahrnehmungstäuschung.

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

Wärmeströmung

Werden die Kerzen angezündet, dann erwärmt sich die Luft oberhalb der Kerzenflamme und sie dehnt sich aus. Dadurch wird diese Luftsäule spezifisch leichter und steigt auf. Es entsteht eine Wärmeströmung der Luft.

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Warme Luft steigt auf.
Weihnachtspyramide
Bei der Weihnachtspyramide wird die Wärmeströmung der Luft ausgenützt.

Wärmeströmung kann man auch als Dichteströmung verstehen. Wärmeströmung bezeichnet man auch mit einem anderen Wort auch als Konvektion.

Konvektion in einem Raum
Im Zimmer kommt es auch zur Wärmeströmung.

Oberhalb des Heizkörpers wird die Luft, da sie erwärmt wird, spezifisch leichter und steigt zur Decke empor. Dort kühlt sie sich ab und sinkt dann wieder zu Boden. Es kommt zu einer Luftzirkulation im Raum.

Wärmeströmung sorgt für interessante Effekte. Wenn die warme Luft über einem Lagerfeuer aufsteigt, wird von allen Seiten kalte Luft angesaugt. Befindet sich allerdings jemand vor dem Feuer wird der Luftzufluss dort blockiert. Dadurch entsteht ein Unterdruck an dieser Stelle und die Strömung (mitsamt dem Rauch) zieht in Richtung der sitzenden Personen. Das kannst du hier ausprobieren:

Bei einem Ofen, der mit Holz oder Kohle befüllt wird, ist die Kaminwirkung zu beachten, die du in folgendem Versuch selbst durchführen kannst. (Vorsicht! Mach diesen Versuch nur im Beisein von Erwachsenen!)

Wärmestrahlung

Dass die Wärme von der Sonne zu uns kommen kann, ist durch Wärmestrahlung zu erklären. Zum Unterschied von Wärmeleitung und Konvektion geschieht jedoch Wärmestrahlung ohne Materietransport bzw. Teilchenbewegung. Wärmestrahlung ist ein elektromagnetischer Vorgang und dieser benötigt kein Medium, denn sonst könnte sich ja die Wärme von der Sonne nicht durch das Vakuum des Weltalls ausbreiten.

Die Sonne sendet elektromagnetische Strahlung verschiedener Wellenlängen aus. Für einen Teil dieser Strahlung ist unser Auge empfindlich und wir nehmen die elektromagnetische Strahlung zwischen 380 nm und 750 nm als Licht wahr. Strahlung größerer Wellenlängen werden in Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen eingeteilt. Strahlung unterhalb von 380 nm liefern UV-Licht, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen.

Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung

Lies den jeweiligen Hinweis und wähle die gesuchte Strahlung aus!

Blutsaugende Insekten, wie Wanzen und Moskitos, verlassen sich auf ihre Infrarotsicht, um sich selbst zu ernähren. Sie können Körperwärme „sehen“, um ihre Beute zu orten.

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

Bring die Blume zum Blühen

Eine Pflanze benötigt rotes Licht und blaues Licht zum Wachsen und um Blüten und Früchte zu bilden. Gleichzeitig möchte sie es angenehm warm haben, also nicht zu heiß und nicht zu kalt. Schaffst du es, die Pflanze mit allen für sie wichtigen Arten von Strahlung zu versorgen und so zum Blühen zu bringen?

Jeder Körper sendet je nach seiner Temperatur mehr oder weniger Wärme aus. Ist der Körper sehr heiß, dann kann er auch sichtbares Licht aussenden.

Für Stahl gibt es die folgende Glühfarbentabelle:

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
3. Wärmetransport
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