1. Definition der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
Setzt man sich auf einen Holzstuhl, erwärmt sich dessen Oberfläche. Setzt man sich hingegen auf einen Stuhl aus Kunststoff oder Metall, fühlt sich dessen Oberfläche nach dem Sitzen nicht warm an. Warum erwärmt sich die Oberfläche des Holzstuhls, die des Metallstuhls aber nicht? Warum kann das Schlafen auf einem kalten Boden ohne Matratze Schmerzen verursachen? Haben Sie schon einmal eine Kälteschutzjacke getragen? Warum bestehen die meisten Kälteschutzjacken aus Wolle? Es gibt noch viele weitere Aspekte der Wärmeleitung, die Fragen aufwerfen und diskutiert werden können.
Wenn ein Teil eines Objekts mit hoher Temperatur mit einem Objekt mit niedriger Temperatur in Kontakt kommt, fließt Energie vom Objekt mit hoher Temperatur zum Objekt mit niedriger Temperatur. Diese Energiezufuhr beschleunigt die Bewegung von Atomen und Molekülen. Bewegte Moleküle besitzen dabei kinetische Energie (KE = 1/2 mv²).2Die sich schneller bewegenden Moleküle (mit höherer kinetischer Energie) stoßen gegen benachbarte Moleküle. Dabei stößt jedes Molekül gegen ein anderes. So kommt es zu weiteren Kollisionen von Molekülen, bei denen Energie übertragen wird. Die Wärmeübertragung durch diese Kollisionen wird als Wärmeleitung bezeichnet.
2. Die Gleichung der Wärmeleitung
Das Objekt auf der linken Seite hat eine höhere Temperatur (T).1) während das Objekt auf der rechten Seite eine niedrigere Temperatur (T) aufweist.2Aufgrund des Temperaturunterschieds (T1 - T2Wärme fließt von einem Objekt mit hoher Temperatur zu einem Objekt mit niedriger Temperatur (die Wärmeflussrichtung ist nach rechts). Das von der Wärme durchströmte Objekt hat eine Querschnittsfläche (A) und eine Länge (l).
Aus den Ergebnissen des Experiments geht hervor, dass die Wärmemenge, die sich während eines bestimmten Zeitintervalls bewegt (Q/t), direkt proportional zur Temperaturdifferenz (T) ist.1 - T2),
Die Querschnittsfläche (A) und die Eigenschaften des Objekts (k = Wärmeleitfähigkeit) sind entscheidend und umgekehrt proportional zu seiner Länge. Die Formel für die Wärmeleitung lautet:
Beschreibung: Q/t = Wärmestromdichte, k = Wärmeleitfähigkeit, A = Querschnittsfläche, T1 = hohe Temperatur, T2 = niedrige Temperatur, l = Länge des Objekts.
3. Die Wärmeleitfähigkeit (k)
Warum besteht das meiste Kochgeschirr aus Aluminium? Wenn Sie mit der linken Hand das Bügeleisen und mit der rechten das Glas halten, berühren sich beide mit der Flamme. Fühlt sich die Hitze mit der linken oder der rechten Hand schneller an? Diese und vielleicht auch andere Fragen, die Sie sich stellen werden, hängen mit der Wärmeleitfähigkeit von Gegenständen zusammen. Die Wärmeleitfähigkeit eines Gegenstands beschreibt seine Fähigkeit, Wärme zu transportieren. Gegenstände mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (k) leiten Wärme gut. Umgekehrt leiten Gegenstände mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit Wärme schlecht.
4. Anwendung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
Warum fühlt sich die Fliese kühler an als der Teppich? Fliesen haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Teppiche. Daher leiten Fliesen Wärme gut, Teppiche hingegen schlecht. Wenn wir auf einem Teppich laufen, fließt Wärme von unseren Füßen zum Teppich. Das liegt daran, dass unsere Körpertemperatur höher ist als die des Teppichs. Da Teppiche Wärme schlecht leiten, sammelt sich die Wärme unserer Füße auf der Oberfläche, wodurch der Teppich wärmer wird. Wenn wir auf Fliesen oder Keramik laufen, fließt die Wärme von unseren Füßen zur Fliese oder Keramik. Da Fliesen Wärme gut leiten, staut sich die Wärme nicht auf der Oberfläche. Die Wärme fließt gleichmäßig ab, sodass sich unsere Füße kühl anfühlen.
Auf dem Boden ohne Matratze zu schlafen, kann Schmerzen verursachen. Warum? Das liegt an der Wärme, die vom Körper an den Boden abgegeben wird. Wärme ist Energie, die sich bewegt. Verliert der Körper viel Wärme, sinkt sein Energievorrat. Und wer zu wenig Energie hat, kann krank werden!
Welche Funktion haben Fenster und Türen? Warum sollten Türen und Fenster aus Holz sein? Nachts ist die Außentemperatur niedriger als die Innentemperatur. Dieser Temperaturunterschied führt dazu, dass Wärme aus dem Haus nach außen diffundiert. Deshalb schließen wir nachts üblicherweise Türen und Fenster. Die Luft, die sich in den Fenstern und Türen einschließt, wirkt als gute Isolierung. Je geringer die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist, desto schwieriger ist der Wärmetransport durch Wärmeleitung.
Kleidung dient nicht nur dazu, unseren Status als zivilisierte und normale Menschen zu erhalten, sondern auch dazu, unsere Körpertemperatur stabil zu halten. Unsere Kleidung ist üblicherweise an die Lufttemperatur angepasst. Bei niedrigen Lufttemperaturen tragen wir dickere Kleidung. Dicke Decken oder Jacken verhindern die Luftzirkulation. Die Luft wird zwischen Haut und Kleidung eingeschlossen. Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen unserem Körper und der eingeschlossenen Luft gibt der Körper Wärme an die Luft ab. Die Wärmezufuhr des Körpers führt zu einem Temperaturanstieg in der eingeschlossenen Luft (sie wird wärmer). Da die Wärmeleitfähigkeit der Luft gering ist, kann keine Wärme aus dem Körper entweichen. So wird unsere Körpertemperatur aufrechterhalten. Tragen wir bei ausreichender Kälte keine Jacke, verliert unser Körper Wärme. Je mehr Wärme verloren geht, desto mehr Energie verliert der Körper.
