Wärmeübertragung
Man spricht von Wärmeübertragung, wenn zwischen Systemen mit Temperaturunterschied Wärme vom System mit der höheren Temperatur zu demjenigen mit der niedrigeren Temperatur übertragen wird (Wärmeausgleich oder Wärmeübergang). Die Wärmeübertragung wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten. Die Wärmeübertragung ist irreversibel und findet immer vom höheren Energieniveau auf das niedrigere statt. Dabei ist immer der Bruttowert der Wärmeübertragung gemeint. Es findet nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch eine Wärmeübertragung von kalt nach warm statt (bei Wärmestrahlung), aber der Wärmestrom von warm nach kalt ist immer größer als von kalt nach warm, so dass die Resultierende von beiden Wärmeströmen immer von warm nach kalt geht.
Dies kann auf zwei Arten erfolgen:
- Durch Wärmeleitung, dabei wird kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen übertragen.
- Durch Wärmestrahlung mittels elektromagnetischer Wellen. Sie erfolgt hauptsächlich im infraroten Spektrum.
Durch Konvektion oder Mitführung, kann keine Wärme, sondern nur innere Energie oder Enthalpie übertragen werden, indem Atome oder Moleküle gasförmiger oder flüssiger Materialien sich bewegen. 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. Strömung. Wärmestrahlung findet vorzugsweise zwischen Oberflächen, auch im Vakuum, statt, wobei ein- und zweiatomige Gase für die Strahlung praktisch durchlässig (diatherman) sind.
Auch im Gleichgewichtszustand der gleichen Temperatur tauschen die 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 Verlustwärme zum Großteil durch erzwungene Konvektion an das Kühlmittel übertragen und abtransportiert.
Unter erzwungener Konvektion versteht man den Wärmetransportmechanismus in Flüssigkeiten und Gasen, bei dem durch makroskopische Strömungsvorgänge Wärme in Form von innerer Energie von einem Ort zum anderen befördert wird. Die Strömung wird dabei durch äußere Einwirkung (Kühlmittelpumpe) verursacht ("erzwungen").
Der Wärmeübergang an das Fluid ist dabei maßgeblich von der Strömungsform abhängig. In laminaren 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.
An den Kühllamellen des Kühlers bildet sich ebenfalls eine laminare Grenzschicht der Kühlluft aus, durch dessen Wärmeleitung der Wärmetransport maßgeblich bedingt ist.