C – Wie wird Wärme transportiert?

Befindet sich ein wärmerer Körper in Kontakt mit einem kälteren anderen Köper – beispielweise mit der Umgebungsluft –  gibt er Wärme an diesen ab und wird dabei kälter. Dieser Abkühlungsprozess beispielsweise der Pizza oder einer Tasse heißen Tees wird nun genauer betrachtet.


Auf welche Weise wird Wärme von einem wärmeren zu einem kälteren Körper transportiert?


Dass das geschieht, ist auch Kindern im Grundschulalter aus der Alltagserfahrung heraus bereits bekannt: „Wenn ich die Tasse dampfend-heißen Tee auf den Tisch stelle und nach zehn Minuten wiederkomme, ist der Inhalt meiner Tasse schon deutlich abgekühlt.“ Es wird nun also betrachtet, wie die Wärme die Tasse verlassen hat.

Abb. C1 Tasse mit heißem Tee.

Es werden drei Arten von Wärmetransport unterschieden:

C.1 Wärmemitführung

Die Wärmemitführung lässt sich auf der Abbildung C1 auch als einzige wahrnehmen. Bei der Wärmemitführung verlässt Materie das betrachtete System und führt dabei Wärme mit sich. Das geschieht in diesem Fall in Form des Wasserdampfes, der oben aus der Teetasse heraussteigt und somit das „System Teetasse“ verlässt. Die Wärme, die der Wasserdampf dabei mit sich nimmt, steht dem System nicht mehr zur Verfügung. Sie wird von der Umgebung aufgenommen. Dieser Abtransport von Wärme ist im Fall des abkühlenden Tees tatsächlich der wesentliche Faktor der drei Arten. Denn in Wasserdampf ist eine Menge Wärme gespeichert: Zum einen beträgt die Temperatur des Wasserdampfes ca. 100 oC,  womit in ihm die maximale Wärmemenge gespeichert ist, die Wasser im flüssigen Zustand aufnehmen kann. Hinzu kommt noch die als Verdampfungsenthalpie gespeicherte latente Wärme (siehe Thema Wasser & Klima), also die Wärme, die im Aggregatzustandswechsel von flüssigem Wasser zu gasförmigem Wasserdampf steckt. Diese große Menge an Wärme in Wasserdampf ist auch der Grund, warum Wasser immer in einem Topf mit Deckel kochen sollte. Oder warum Speisen und Getränke, die warm bleiben sollen, abgedeckt werden. Das spart eine Menge Energie, bzw. hält Energie im System.


Kurz & knapp – Wärmemitführung:

Abb. C2 Wärmemitführung bei einer Tasse Tee.

Bei der Wärmemitführung wird Wärme von Materie, die das betrachtete System verlässt, mitgeführt.

Wärmemitführung findet noch an anderen Stellen bei der abkühlenden Teetasse statt. Beispielsweise wird die Luft, die die Teetasse umgibt, durch die heiße Tasse erwärmt (durch Wärmeleitung, s.u.). Diese erwärmte Luft ist aber nicht an ihren Ort gebunden, sondern kann sich von der Tasse fortbewegen. Dabei führt sie die in ihr gespeicherte Wärme mit (Wärmemitführung) und neue, kältere Luft gelangt an die Tasse, die ebenfalls wieder erwärmt wird und Wärme abtransportiert. Die Bewegung der Luftteilchen kann dabei durch Luftbewegung im Raum (Luftzug, Wind) hervorgerufen werden. Sie geschieht aber auch durch den Erwärmungsprozess selbst: Warme Luft dehnt sich aus, ihre Dichte verringert sich und sie steigt nach oben. Von unten strömt neue, kühlere Luft an die Tasse (Konvektion). Allgemein spielt Wärmemitführung vor allem im losen Verbund von Teilchen eine Rolle, wenn sie sich relativ frei bewegen können, also in Flüssigkeiten und Gasen. Die Luftumwälzungen, die für das Wetter und Klima zuständig sind, werden ebenso wie die Meeresströmungen (siehe Thema Wasser & Klima) von Wärmemitführung (Konvektion) hervorgerufen. Dies geschieht aufgrund der aus der thermischen Ausdehnung resultierenden Dichteunterschiede völlig selbstständig: Warme, weniger dichte Luft und warmes, weniger dichtes Wasser bewegen sich nach oben und verdrängen kältere Luft und kälteres Wasser dafür nach unten. So funktioniert auch das Konvektionsprinzip einer wasserbetriebenen Hausheizung.

Abb. C3 Weihnachtspyramide mit warmen Luftstrom.

Die Konvektion ist an unzähligen weiteren Begebenheiten im Alltag zu beobachten. Beispielsweise lässt sich im Winter nach dem Duschen gut beobachten, dass das warme Wasser beim Öffnen des Fensters an der Oberseite des Fensters heraus- und die kalte Luft von draußen an der Unterkante des Fensters in das Zimmer hereinströmt. Auch eine Weihnachtspyramide funktioniert auf Grundlage der Wärmemitführung: Die Wärme steigt mit der erhitzten Luft über den Kerzen nach oben und treibt dabei das Rädchen der Pyramide an (vgl. Abb. C3). Auch der Unterwasservulkan ist ein Beispiel hierfür.

C.2 Wärmeleitung

Auch bei der Wärmeleitung geht es um die Bewegungsenergie von Teilchen, die Wärme transportieren. Der entscheidende Unterschied zur Wärmemitführung ist allerdings, dass die Teilchen selbst sich nicht fortbewegen. Die Materie bleibt, wo sie ist. Da Wärme in Materie ja derart gespeichert wird, dass die Teilchen sich umso schneller bewegen (Schwingungen oder frei Bewegungen), je mehr Energie gespeichert ist, können sie diese Bewegung auch an andere Teilchen weitergeben. Wenn das Wasser in die Tasse eingefüllt wird, bewegen sich die Wasserteilchen sehr schnell. Sie stoßen mit den Teilchen an der Innenwand der Tasse zusammen und geben ihre Bewegungsenergie dabei weiter. (Das lässt sich anhand von Billardkugeln vorstellen, die sich gegenseitig anstoßen.) Dadurch bewegen sich also die Teilchen der Tasse (schwingen, Festkörper), das heißt, auch ihre Temperatur steigt. Die Schwingung geben sie an ihre Nachbarn weiter. So erwärmt sich zunächst die Tasse – und als nächstes, wenn die Teilchenbewegung an der Außenwand der Tasse angekommen ist, auch die Teilchen der Luft, der Untertasse, des Tisches usw., die mit der erwärmten Tasse in Berührung kommen (s.o.). Auf diese Weise wird Wärme von den Teilchen durch Bewegungen weitergegeben, ohne dass die Teilchen selbst sich fortbewegen.


Kurz & knapp – Wärmeleitung:
Abb. C4 Wärmeleitung bei einer Tasse Tee.

Bei der Wärmeleitung wird Wärme in Form der Bewegungsenergie von Teilchen weitergeleitet, ohne dass die Teilchen selbst ihren Ort verlassen.

Die Fähigkeit, Wärme auf diese Art weiterzuleiten, hängt vom jeweiligen Stoff ab. Metalle beispielsweise sind sehr gute Wärmeleiter (besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit), Materialien wie Glas, Wasser, Öl sind hingegen sehr schlechte Wärmeleiter (siehe Tab. C1). Allgemein gesprochen funktioniert die Wärmeleitung besonders gut, wenn die Teilchen eng aneinander gekoppelt / miteinander verbunden sind. Das ist vor allem bei Festkörpern wie Metallen der Fall.

In Flüssigkeiten ist die Weitergabe daher schlechter möglich, in Gasen sind die Teilchen zum einen weit auseinander und zum andern nicht mehr aneinander gebunden.

Tabelle C1: Wärmeleitfähigkeit verschiedener Stoffe

Besonders schlecht leitet auch Luft die Wärme. Das ist auch ein wesentlicher Grund, warum Materialien wie Wolle oder Holz ebenfalls sehr schlecht abschneiden. In ihnen sind viele kleine Luftbläschen enthalten. Das reduziert zum einen die Wärmeleitung, zum anderen auch die Wärmemitführung, da die Luft eingeschlossen ist und das System nicht verlassen kann.


Woher kennen wir das aus dem Alltag? Denken wir an die Beispiele zu Beginn: Wenn Metall sehr gut Wärme leitet, erklärt das auch, warum ein Metalllöffel im heißen Wasser nach kurzer Zeit auch am oberen Ende zu heiß ist, um ihn anzufassen. Anders allerdings bei einem Kochlöffel aus Plastik oder idealerweise aus Holz. Das ist auch der Grund, warum Kochtöpfe für konventionelle Herde aus Metall sind, aber ihre Deckel oft einen Plastikgriff haben. Warum wir Wollsocken anziehen, damit weniger Körperwärme unsere Füße verlässt, warum wir Topflappen aus Stoff benutzen und unsere Hausdächer mit Steinwolle dämmen usw.

Abb. C5 Temperaturverteilung über einen (Metall-) Stab, welcher an einer Seite erhitzt wird.

In der Tabelle C1 fällt noch ein besonderer Wert auf: Die Wärmeleitfähigkeit des Vakuums liegt bei 0. Warum ist das so? Nun, wo keine Materie ist, kann auch keine Materie Energie weitergeben. Das ist der Grund, weswegen wir Fenster doppelt oder sogar dreifach verglasen und in die Zwischenräume Luft, Edelgase oder am besten nichts (Vakuum) einbringen. Dasselbe gilt natürlich auch für Wärmemitführung: Wo keine Materie ist, kann sie auch keine Wärme mit sich führen.

Dies wirft allerdings die Frage auf, wie denn die für uns lebensnotwendige Wärme der Sonne eigentlich zur Erde gelangt, wenn im Weltall ein Vakuum herrscht…


C.3 Wärmestrahlung

Hierfür wird die dritte Wärmetransportart benötigt: Die Wärmestrahlung. Sie ist die einzige der drei, die für den Transport der Wärme keine Materie benötigt. Für Kinder ist diese Wärmetransportart sehr abstrakt, da sie einen Strahlungsbegriff erfordert, der (abgesehen von der Parallele zu Licht) inhaltlich in dieser Altersstufe noch nicht thematisiert wird. Aber es kann sich der Wärmestrahlung dennoch phänomenologisch genähert werden. Wird beispielsweise die Hand seitlich von außen ganz in die Nähe der heißen Tasse gehalten, ohne sie zu berühren, ist trotzdem Wärme zu spüren. Noch besser ist die Wärmestrahlung aus dem Alltag von Lagerfeuer, Kerzen, Glühlampen, Wärmelampen oder Heizstrahlern bekannt. Die Wärme, die an die Hand kommt, wird größtenteils durch Wärmestrahlung vom warmen oder heißen Körper übermittelt.

Abb. C5 Wärmestrahlung bei einer Tasse Tee.

Bei der Wärmestrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung im langwelligen, infraroten Bereich (Wärmestrahlung). Diese Strahlung geben alle Körper ab. Ihr Wellenlängenbereich ist charakteristisch für die Temperatur der Wärmequelle (siehe auch Themengebiete zu Licht). Wenn Körper sehr heiß sind, kann das als „Glühen“ wahrgenommen werden. Die von ihnen abgegebene Strahlung ist so energiereich, dass sie in den für Menschen sichtbaren Bereich hineinreicht. Wärmestrahlung, die von weniger heißen Körpern abgegeben wird, können Menschen mit den Augen nicht wahrnehmen. Aber sie können beispielsweise mit Wärmebildkameras detektieret und in Bilder umgewandelt werden. Die Kameras können der jeweils aus einem bestimmten Bereich abgegebene Wärmestrahlung eine Temperatur zuordnen und daraus ein Bild erstellen, dass entsprechend dieser Temperaturen eingefärbt ist.


Kurz & knapp – Wärmestrahlung:

Körper senden entsprechend ihrer Temperatur Wärmestrahlung an ihre Umgebung aus. Das ist bekannt von Infrarotlampen und von Fotos mit Wärmebildkameras. Wärmestrahlung gehört zu den elektromagnetischen Strahlungsarten, die zur Ausbreitung keine Materie brauchen. Zu elektromagnetischen Strahlungsarten gehört auch das sichtbare Licht, UV-Licht, Mikrowellen oder Röntgenstrahlen. Wärmestrahlung hat eine größere Wellenlänge und niedrigere Energie als sichtbares Licht und kann von menschlichen Augen nicht wahrgenommen werden. Allerdings kann Wärmestrahlung von Teilchen aufgenommen werden. Sie werden durch die Energieaufnahme in stärkere Bewegung versetzt – der Gegenstand/Körper erwärmt sich. Auf diese Weise nehmen wir Wärmestrahlung über unsere Haut wahr und die Sonne erwärmt über Wärmestrahlung die Erde.


Zusammenfassung Wärmetransportarten:

Video C1: Wärmetransportarten.

Abb. C6 Alle Wärmetransportarten bei einer Tasse Tee.

Am Abkühlen der Tasse Tee ist also Materie beteiligt, die sich mit Wärme fortbewegt (Wärmemitführung), Materie, die durch Schwingungen thermische Bewegung weitergibt (Wärmeleitung) und Strahlung, die sich ohne Zutun von Materie von der Tasse entfernen kann (Wärmestrahlung) (vgl. Abb. C6).

Im Folgenden wird versucht nun noch einmal die drei Wärmetransportarten in einen Kontext zu setzen und aus der Alltagsperspektive heraus zu betrachten.


Beispiel:

Lisa möchte ausprobieren, wie sie einen Eiswürfel am schnellsten zum Schmelzen bekommt. Sie legt einen Eiswürfel vor sich auf den Tisch und wickelt einen zweiten, gleichgroßen Eiswürfel zum Vergleich in einen Wollschal ein. Was wird passieren? Welcher Eiswürfel wird schneller schmelzen?

Die Herausforderung für eine Argumentation aus dem Alltagsverständnis heraus ist zu unterscheiden, ob etwas aktiv wärmt oder nur passiv den Wärmetransport reduziert. Diese Unterscheidung ist vor allem für Kinder noch sehr schwierig – und aus dem Sprachgebrauch wenig unterstützt, denn auch wir Erwachsenen sprechen von einem „warmen Pulli“ oder Hausschuhen, die „die Füße wärmen“. Kleidungsstücke, Schuhe, Decken usw. dienen aber lediglich dazu, den Transport unserer Körperwärme an die kältere Umgebung zu unterbinden. Wickeln wir einen Schal um unsere Teetasse, bleibt der Tee in der Tasse vermutlich länger warm als ohne Schal. Der Schal fungiert als „Wärmestopper“, vor allem in Bezug auf Wärmemitführung und Wärmeleitung.

Abb. C7 Schal um Eiswürfel gehüllt (schematisch).

Was gilt nun für unseren Eiswürfel? Auch hier ist nicht der Schal derjenige, der das Eis wärmt und schneller zum Schmelzen bringt. Vielmehr unterbindet er auch hier den Wärmeaustausch vom Wärmeren zum Kälteren – allerdings ist hier der Eiswürfel im Schal das Kältere und die Umgebung das Wärmere. Der Schal reduziert aber auch hier den Wärmefluss, der sonst ungehindert zum Eiswürfel kommen könnte. Der Eiswürfel im Wollschal schmilzt also langsamer als der ohne.