Funktionsprinzip der Wärmeleitung
Wärmeleitung ist ein physikalischer Prozess, bei dem Wärme von einem Bereich höherer Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur in einem Material übertragen wird. Die Wärmeleitung erfolgt durch die Schwingungen und Teilchenbewegungen in einem Stoff.
Wärmeleitung tritt in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen auf. In Metallen, die freie Elektronen haben, erfolgt die Wärmeleitung hauptsächlich durch die Bewegung dieser Elektronen. In nichtmetallischen Stoffen wird die Wärme hauptsächlich durch Schwingungen und Kollisionen von Molekülen oder Atomen übertragen.
Arbeitsauftrag 1
- Verschiedene Materialien leiten Wärme unterschiedlich gut. Unten siehst du Fotos von verschiedenen
Stoffen. Welche
Stoffe leiten Wärme gut, welche schlecht?
Bringe die Fotos in eine Reihenfolge. Ordne auf Platz 1 den besten Wärmeleiter an, auf Platz zwei den Zweitbesten, und so fort.
Tipp
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Schlechte Wärmeleiter sind nützlich
Stoffe, welche die Übertragung von Wärme reduzieren, nennt man Wärmeisolatoren oder Dämmstoffe. Wärmeisolatoren werden immer dann verwendet, wenn die Übertragung von Wärme erschwert oder verhindert werden soll.
Arbeitsauftrag 2
- Die drei Bilder unten zeigen Dämmstoffe, die ungewünschte Wärmeübertragung verhindern sollen, in unterschiedlichen Situationen. Notiere unter jedem Bild, mit welchen Materialien Wärmeübertragung verhindert werden soll.
Lederschuhe
Kochtopf
Fernwärmerohr
- Welche weiteren Wärmeisolatoren kennst du aus deinem Alltag? Nenne weitere Beispiele.
- Fernwärme ist ein System, bei dem heißes Wasser über ein Netz von gedämmten Rohren an Gebäude geliefert wird, um diese zu heizen und Warmwasser bereitzustellen. Die Energie zum Heizen wird über Wasser transportiert, das in den Fernwärmerohren fließt und zwischen 70 und 130 °C heiß sein kann. Zur Dämmung von Fernwärmerohren wird unter anderem das Material Polyurethan-Hartschaum verwendet. Der Hartschaum entsteht, indem ein flüssiges Material aufgeschäumt wird. Dabei wird Luft eingeschlossen. Die Dämmung verhindert, dass das heiße Wasser während des Transports zu stark abkühlt. Das Foto zeigt dir eine Nahaufnahme des Schaumstoffs. Erkläre, warum Polyurethan-Hartschaum ein guter Wärmeisolator ist.
Schnittfläche von Polyurethan-Hartschaum
Wärmekapazität
Arbeitsauftrag 3
- Stell dir vor, du bist im Sommerurlaub am Meer und es ist sehr heiß. Was würdest du tun, um dich abzukühlen?
Aus deinem Alltag weißt du: verschiedene Materialien oder Stoffe werden bei gleicher Außentemperatur unterschiedlich warm.
Aber warum ist das so?
Warum erwärmen sich verschiedene Materialien oder Stoffe bei gleicher Wärmezufuhr unterschiedlich
stark?
Eine wesentliche Rolle dabei spielt die Tatsache, dass verschiedene Materialien oder Stoffe unterschiedlich
viel
Wärme
aufnehmen können. Sie unterscheiden sich somit in ihrer Kapazität Wärme aufzunehmen. Kurz: die Materialen oder
Stoffe
haben ein unterschiedliche Wärmekapazität.
Die Wärmekapazität beschreibt also das Verhältnis aus zugeführter Wärme und der daraus resultierenden
Temperaturveränderung eines Materials oder Stoffes.
Wenn verschiedene Materialien oder Stoffe verglichen werden, spricht man von der spezifischen Wärmekapazität.
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, wie viel Wärme (gemessen in Kilojoule kJ) von einem
Kilogramm (kg) eines Stoffes abgegeben oder aufgenommen wird, wenn sich seine Temperatur um ein Kelvin (K)
ändert.
Vergleich zwischen Wasser und Sand
Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von 4,19 kJ/(kg⋅K). Das bedeutet, dass ein Kilogramm (kg) Wasser, wenn es um 1 K (Kelvin) erwärmt wird, Wärme von 4,19 kJ (Kilojoule) aufnimmt. Wird es um 1 K abgekühlt, gibt es die Wärme von 4,19 kJ wieder ab.
Sand hat, abhängig von seiner Zusammensetzung und seinem Feuchtigkeitsgehalt, eine spezifische Wärmekapazität von etwa 0,8 bis 1,0 kJ/(kg⋅K).
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist also deutlich höher als von Sand. Um die gleiche
Temperaturänderung zu
erzielen, muss bei Wasser deutlich mehr Wärme als bei Sand zugeführt werden.
Das bedeutet auch, dass bei gleicher Wärmezufuhr, die Temperatur des Wassers weniger erhöht wird als die
Temperatur des
Sandes.
Arbeitsauftrag 4
-
Was vermutest du, welche der unten abgebildeten Flüssigkeiten und Gase hat die höchste Wärmekapazität? Tippe
deinen Favoriten an.
Luft hat mit 1,01 die geringste Wärmekapazität von allen Vieren.
Die Wärmekapazität von Benzin beträgt 2,02. Damit belegt es den zweiten Platz.
Die Wärmekapät von Wasserdampf ist 1,86. Damit liegt Wasserdampf auf dem dritten Platz.
Wasser hat mit 4,19 die höchste Wärmekapazität von allen Vieren.
- Nenne mindestens zwei Gründe, warum gerade Wasser besonders gut geeignet ist, um in der Fernwärme eingesetzt zu werden. Beziehe bei deiner Antwort auch die Wärmekapazität mit ein.
