Wärmeübertragung: Ein nahezu allgegenwärtiges Phänomen

53 Pages·2017·2.05 MB·German

by  Heinz Herwig (auth.)

Heinz Herwig
Wärmeübertragung
Ein nahezu allgegenwärtiges
Phänomen
essentials
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Heinz Herwig
Wärmeübertragung
Ein nahezu allgegenwärtiges
Phänomen
Heinz Herwig
Technische Universität Hamburg
Hamburg, Deutschland
ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic)
essentials
ISBN 978-3-658-17337-1 ISBN 978-3-658-17338-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-17338-8
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Was Sie in diesem essential finden können
• Eine Erklärung der Begriffe „Wärme“ und „Temperatur“ und welcher Zusam-
menhang zwischen den Fächern „Wärmeübertragung“ und „Thermodynamik“
besteht.
• Energieübertragung in Form von Wärme findet stets dann statt, wenn Tempe-
raturunterschiede bestehen.
• Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten der Wärmeübertragung: lei-
tungsbasierte und strahlungsbasierte Wärmeübertragung.
• Leitungsbasierte Wärmeübertragung ist ein physikalischer Nahwirkungsme-
chanismus, der auf der Interaktion benachbarter Moleküle beruht.
• Strahlungsbasierte Wärmeübertragung ist ein physikalischer Fernwirkungsme-
chanismus im elektromagnetischen Feld der Wärmestrahlung.
• Überlegungen im Zusammenhang mit der Entropieübertragung und -produk-
tion. Diese folgen unmittelbar aus dem Zweiten Hauptsatz der Thermodyna-
mik, werden aber (leider) häufig ignoriert.
V
Vorwort
Dieser essential-Band möchte eine klare Vorstellung von der Physik der Wärme-
übertragung vermitteln. Es soll deutlich werden, dass es sehr unterschiedliche
Situationen gibt, in denen Wärmeübertragung eine Rolle spielt. Dies gilt für unse-
ren Alltag ebenso wie für technische Prozesse und die Apparate und Anlagen, in
denen sie ablaufen.
Naturgemäß kann ein solcher essential-Band keine umfangreiche Monogra-
fie ersetzen. Der große Vorteil besteht aber darin, dass die wesentlichen phy-
sikalischen Vorgänge deutlich werden können. Dies bezieht sich im Fall der
Wärmeübertragung auf die grundlegenden Mechanismen der Wärmeleitung und
Wärmestrahlung.
Ein herzliches Dankeschön geht an Dr.-Ing. Andreas Moschallski und Herrn
Thomas Zipsner für ihre hilfreichen Kommentare und Anmerkungen.
Hamburg, Deutschland Heinz Herwig
Frühjahr 2017
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung: Notwendige Klarstellungen ......................... 1
1.1 Was ist Wärme? Ein Begriff und viele Missverständnisse ......... 1
1.2 Was ist Temperatur? Ein Begriff und einige
Missverständnisse ....................................... 3
1.3 Ein einfaches Experiment zu Wärme und Temperatur ............ 4
2 Die zwei grundsätzlichen Arten der Wärmeübertragung ........... 7
3 Leitungsbasierte Wärmeübertragung ........................... 11
3.1 Fouriersche Wärmeleitung ................................. 11
3.2 Situation L-W: Reine Wärmeleitung ......................... 13
3.3 Situation L-K: Konvektive Wärmeübertragung ................. 18
3.4 Situation L-P: Wärmeübertragung mit Phasenwechsel ........... 25
4 Strahlungsbasierte Wärmeübertragung ......................... 31
4.1 Die Physik strahlungsbasierter Wärmeübertragung .............. 31
4.2 Situation S-V: Strahlungsaustausch im Vakuum ................ 34
4.3 Situation S-F: Strahlungsaustausch durch transparente
Fluide und Festkörper .................................... 39
4.4 Situation S-G: Gasstrahlung ................................ 43
5 Anmerkungen zur Wärmeübertragung als
Wissenschaftsdisziplin ....................................... 45
5.1 Wärmeübertragung und Thermodynamik ..................... 45
5.2 Wärmeübertragung, ein technisch wichtiges Fach ............... 46
Literatur ...................................................... 49
IX
1
Einleitung: Notwendige Klarstellungen
1.1 W as ist Wärme? Ein Begriff und viele
Missverständnisse
Kaum jemand würde wohl an der Behauptung Anstoß nehmen, dass man Wärme
übertragen und bei Bedarf auch speichern kann – schließlich besitzt z. B. ein
Kraftwerk eine Reihe von Wärmeübertragern und Hausbesitzer mit moderner
Heiztechnik verweisen mit Stolz auf ihren Wärmespeicher. Analysiert man aber
z. B. den Begriff des Wärmeübertragers rein semantisch, so muss Wärme, die
übertragen wird, etwas sein, was zunächst auf der einen Seite einer Systemgrenze
vorhanden ist, nach der Übertragung aber auf der anderen Seite vorliegt. Eine sol-
che Vorstellung hat es in der Tat gegeben, als man zu Beginn des 18. Jahrhunderts
die Existenz einer masselosen Substanz Phlogiston vermutete, die übertragen
wird, wenn man einen Körper erwärmt.
Heute weiß man, dass die Phlogiston-Theorie ein wissenschaftlicher Irrweg
war. Aber: Was ist dann Wärme? Die „richtige“ Antwort kann die Thermodyna-
mik geben:
 Wärme ist eine Form des Energietransportes über eine Systemgrenze
und damit eine sog. Prozessgröße.
Dieser Definition trägt man Rechnung, wenn anstelle von „Wärmeübertragung“
von „Energieübertragung in Form von Wärme“ gesprochen wird. Abb. 1.1 zeigt
ein allgemeines System, das bzgl. seines energetischen Zustands durch die
Zustandsgröße Energie, unterteilt in verschiedene Energieformen, gekennzeichnet
ist. Dieser energetische Zustand kann nur durch einen Transport von Energie über
die Systemgrenze verändert werden, weil die Energie eine sog. Erhaltungsgröße
ist, die weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 1
H. Herwig, Wärmeübertragung, essentials,
DOI 10.1007/978-3-658-17338-8_1
2 1 Einleitung: Notwendige Klarstellungen
(a) Energieformen (Zustandsgrößen)
(b) Energietransportformen (Prozessgrößen)
W: Energietransport in Form von Arbeit
Q: Energietransport in Form von Wärme
K: Massengebundener Transport innerer Energie durch Konvektion
Abb. 1.1 Energierelevante Aspekte eines thermodynamischen Systems
Eine von drei Möglichkeiten der Energieübertragung über eine Systemgrenze
ist die „Energieübertragung in Form von Wärme“ – der allgemeinen Konvention
folgend (leider) weiterhin als „Wärmeübertragung“ bezeichnet. Um es noch ein-
mal ganz deutlich zu sagen:
 Wärmeübertrager sind Apparate, in denen Energie in Form von Wärme
übertragen wird.
Wärmespeicher sind Apparate, in denen Energie gespeichert werden
kann, die zuvor in Form von Wärme übertragen worden ist.
Es mag auf den ersten Blick wie „Haarspalterei“ anmuten, so präzise zu formulie-
ren, die Erfahrung zeigt aber, dass ein wirkliches Verständnis der physikalischen
Zusammenhänge nur möglich ist, wenn klar zwischen Zustands- und Prozessgrö-
ßen in Bezug auf thermodynamische Systeme und die darin ablaufenden Prozesse
unterschieden wird.
Wenn auch in diesem essential weiterhin von „Wärmeübertragung“ gespro-
chen wird, so steht dieser Begriff abkürzend für „Energieübertragung in Form
von Wärme“. Ähnliches gilt für den weiterhin allgemein üblichen Begriff eines
„Wärmespeichers“.