Wärmeübertragung

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung , nämlich Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.

Wärmeübertragung durch Wärmeleitung. Wenn ein Objekt mit hoher Temperatur mit einem Objekt mit niedriger Temperatur in Kontakt kommt, fließt Energie vom Objekt mit hoher Temperatur zum Objekt mit niedriger Temperatur. Die zusätzliche Energie versetzt die Atome und Moleküle des Objekts in schnellere Bewegung. Dabei besitzen die Moleküle kinetische Energie (ΔK = ½ mv² ⁾ . Die schnelleren Moleküle (mit höherer kinetischer Energie) stoßen mit benachbarten Molekülen zusammen. Diese Moleküle stoßen wiederum mit weiteren benachbarten Molekülen zusammen. Und so weiter. Durch die Kollisionen der Moleküle wird also Energie übertragen. Wärmeübertragung durch Kollisionen zwischen den Molekülen eines Objekts wird als Wärmeleitung bezeichnet. Wärmeleitung findet üblicherweise in Festkörpern oder von Festkörpern zu Flüssigkeiten (Flüssigkeiten zu Festkörpern) oder von Festkörpern zu Gasen (Gase zu Festkörpern) statt.

Wärmeübertragung durch Konvektion. Konvektion tritt typischerweise in Flüssigkeiten (z. B. Wasser) und Gasen (z. B. Luft) auf. Sie ist die Übertragung von Wärme, die mit der Bewegung eines Objekts aufgrund von Dichteänderungen einhergeht. Die Dichte eines Objekts ändert sich, weil sich sein Volumen ändert. Das Volumen eines Objekts ändert sich, weil es eine bestimmte Wärmemenge aufnimmt.

Wärmeübertragung durch Strahlung. Strahlung ist die Übertragung von Wärme in Form elektromagnetischer Wellen. Beispiele für Strahlung sind die Wärme, die Ihr Körper in der Nähe eines Herdes spürt, und die Strahlung der Sonne zur Erde. Die Sonne hat eine höhere Temperatur (etwa 6000 Kelvin), die Erde hingegen eine niedrigere. Dieser Temperaturunterschied zwischen Sonne und Erde bewirkt, dass Wärme von der Sonne (höhere Temperatur) zur Erde (niedrigere Temperatur) fließt. Würde die Strahlung von der Sonne zur Erde ein Medium wie Wärmeleitung oder Konvektion benötigen, würde die Wärme die Erde nicht erreichen, da sie ein Vakuum durchdringen müsste.

Beispiel für eine Frage

1. Nationale Physikprüfung SMA/MA 2015/2016, Frage Nr. 19

Zwei gleich große, aber aus unterschiedlichen Metallen bestehende Metallstäbe werden wie in der Abbildung unten dargestellt verbunden. Wenn die Wärmeleitfähigkeit von Metall I viermal so groß ist wie die von Metall II, dann beträgt die Temperatur an der Verbindungsstelle der beiden Metalle…

Ein 45^oC

B. 40 ^° C

C. 35 ^° C

D. 30 ^° C

E. 25 ^° C

Diskussion

Es ist bekannt, dass:

Wärmeleitfähigkeit des Metalls I = 4k

Wärmeleitfähigkeit des Metalls II = k

Metallkantentemperatur I = 50 ^° C

Metallkantentemperatur II = 0 ^° C

Gefragt wurde: Temperatur an der Grenzfläche der beiden Metalle

Antwort:

Die Formel für die Wärmeübertragungsrate durch Wärmeleitung:

Beschreibung: Q/t = Wärmestromdichte, k = Wärmeleitfähigkeit, A = Oberfläche, T₁ _- T₂ ₌ Temperaturänderung, l = Stablänge

Da die beiden Metalle die gleiche Größe haben, können A und l aus der Gleichung entfernt werden.

Die richtige Antwort ist B.

2. Nationale Physikprüfung SMA/MA 2015/2016, Frage Nr. 19

Die folgende Abbildung zeigt Metallstäbe A und B unterschiedlicher Art, die an einem Ende miteinander verbunden sind.

Die Querschnittsfläche beider Stäbe ist gleich, aber die Länge von A ist doppelt so groß wie die von B und der Wärmeleitkoeffizient von A ist dreimal so groß wie der von B. Wenn die freien Enden von A und B unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, dann ist die genaue Temperatur am Verbindungspunkt…

Ein 60^oC

B. 64 ^° C

C. 70 ^° C

D. 76 ^° C

E. 78 ^° C

Diskussion

Es ist bekannt, dass:

Wärmeleitfähigkeit des Stabes A = 3k

Wärmeleitfähigkeit des Stabes B = k

Länge des Stabes A = 2l

Länge des Stabes B = l

Temperatur am Rand des Stabes A = 100 ^° C

Temperatur am Rand des Stabes B = 40 ^° C

Gefragt wurde: Temperatur an der Verbindungsstelle der beiden Stäbe

Antwort:

Die Formel für die Wärmeübertragungsrate durch Wärmeleitung:

Beschreibung: Q/t = Wärmestromdichte, k = Wärmeleitfähigkeit, A = Oberfläche, T₁ _- T₂ ₌ Temperaturänderung, l = Stablänge

Da beide Stäbe die gleiche Querschnittsfläche haben, entfällt A aus der Gleichung.

Die richtige Antwort ist D.

3. Nationale Physikprüfung SMA/MA 2014/2015, Frage Nr. 14

Beachten Sie die folgende Aussage:

(1) Metallleitfähigkeit

(2) Temperaturdifferenz zwischen den Metallenden

(3) Länge des Metalls

(4) Metallmasse

Die Faktoren, die die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung in Metallen bestimmen, sind….

A. (1), (2) und (3)

B. (1) und (4)

C. (2) und (4)

D. (3) und (4)

E. (4) nur

Diskussion

Die Wärmeübertragung in Metallen erfolgt durch Wärmeleitung. Die Formel für die Wärmeleitungsrate lautet:

Beschreibung: Q/t = Wärmestromdichte, k = Wärmeleitfähigkeit, A = Oberfläche, T₁ _- T₂ ₌ Temperaturänderung, l = Stablänge

Die richtige Antwort ist A.