Wärmeleitung: Einfache Erklärung & praktische Beispiele

Alle festen Stoffe besitzen die Fähigkeit zur Wärmeleitung, ohne sich dabei selber zu bewegen oder zu strömen. Der molekulare Aufbau ermöglicht Energie, die nötig ist, um sich durch die Stoffsubstanz hindurch zu „hangeln“. Dieser Weg ist auch zwischen festen Stoffen und angrenzenden Flüssigkeiten oder Gasen gegeben. Das physikalische Verhalten der Wärmeleitung im thermodynamischen Sinne bestimmt die Fließrichtung. Die höhere Temperatur bewegt sich immer auf die niedrigere Temperatur zu.

Wärmeleitung Wärrmestrahlung und Wärmeströmung im Vergleich

Vereinfacht gesagt wird Wärme also durch verschiedene Stoffe hindurch von einer höheren Temperatur auf eine niedrigere Temperatur übertragen. Auf diese Weise erwärmt sich beispielsweise der vorher noch kalte Griff eines Kochtopfes, der über eine Feuerstelle gehalten wird.

Wovon hängt die Wärmeleitung ab?

Die Leitung von Wärme in einem Körper findet nur unter der Voraussetzung statt, dass zwei verschiedene Temperaturbereiche existieren. Weitere Einflussfaktoren auf das Ausmaß der Wärmeleitung sind die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes, dessen Querschnittsfläche, die Temperaturdifferenz, die Länge des Körpers und die Zeit. Werden alle diese Rechengrößen in Beziehung gesetzt, entsteht eine Wärmeleitungsgleichung oder Formel der Wärmeleitung. Diese lässt sich für eine Berechnung heranziehen.

Formel

Q= λ * ((A * t * Δϑ)/l)

Abkürzung

Beschreibung

Q Wärme, die übertragen wurde
λ Wärmeleitfähigkeit des Stoffs
A Querschnittsfläche
t Zeit, die die Wärmeleitung in Anspruch nimmt
Δϑ Temperaturunterschied
l Länge des Stoffes

Was ist die Wärmeleitfähigkeit?

Die Wärmeleitfähigkeit von Stoffen entscheidet über deren Eignung für die Beheizung und Erhitzung und ist zu ermitteln, um die eben genannte Gleichung lösen zu können. Materialien mit geringerer Leitung dienen dem Erhalt und der Speicherung. Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit werden zum Transport und der Übertragung von Wärme eingesetzt. Maßgeblicher Faktor ist die Temperaturdifferenz zwischen „eingehender“ und „entstandener“ Wärme oder der Unterschied zwischen zwei beteiligten Stoffen.

Gute Wärmeleiter

Schlechte Wärmeleiter

Aluminium Beton
Gold Glas
Kupfer Holz
Stahl Styropor
Wolfram Luft

Bei zwanzig Grad Celsius liegt die Wärmeleitfähigkeit der Luft bei 0,026 W/(m x k). Wasser besitzt bei der gleichen Außentemperatur 0,58 W/(m x k). Wenn Wärme mit der Luft transportiert wird, unterstützt die Luft den Ausnutzungsgrad der Wärme schlecht. Gold, Silber und Kupfer besitzen die höchsten Temperatur- und Wärmeleitfähigkeiten, weshalb sie in vielen technischen Anwendungen unverzichtbar sind.

Praktische Beispiele

Wie schwach oder stark die Wärmeleitung einzelner Stoffe ausgeprägt ist, ist in jedem Haushalt alltäglich an vielen Beispielen zu beobachten. Die meisten Metalle sind sehr gute Wärmeleiter, eingeschränkt oft nur von der spezifischen Kapazität. Eisen verfügt beispielsweise über eine etwa dreifache höhere Dichte als Aluminium. Das führt zu einer Wärmeleitfähigkeit von etwa einem Drittel.

Stahl besitzt eine ähnliche Dichte und Kapazität wie Eisen bei etwa halb so hoher Wärmeleitfähigkeit. Außerhalb fester Stoffe lässt sich das physikalische Phänomen der Wärmeleitung gut an der aufsteigenden erwärmten Raumluft beobachten. Hier zeigt das physikalische Gesetz der Thermik deutlich, dass Wärme immer Richtung Kälte „wandert“.

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Eine hohe Wärmeleitung ist nicht unbedingt positiv. Denn oftmals ist sie zum Beispiel bei Griffen von Kochtöpfen nicht erwünscht, da dieser sich beim Anfassen stark erhitzt. Auch bei der Wandung von Rohrleitungen oder bei Fenstern sind hohe Werte nicht unbedingt von Vorteil.

Unterschied zur Wärmeströmung und Wärmestrahlung

Bei der Wärmeleitung wird Wärme übertragen, obwohl der Körper selbst ruht. Die schnelleren Teilchen des Körpers geben ihre Energie an die langsameren ab. Dies führt dazu, dass Energie von höheren Temperaturbereichen zu niedrigeren Temperaturbereichen wandert. Bei der Wärmeströmung hingegen strömen Flüssigkeiten wie Wasser oder Gase und nehmen dabei Wärme mit. Diese Strömungen enstehen, wenn sich Flüssigkeiten bei dessen Erhitzung ausdehnen und eine andere Dichte annehmen. Heiße Körper senden von sich aus Wärmestrahlung. Letztere ist dabei in der Lage die Luft zu durchdringen.