Wärmestrom

Antrieb dafür, dass zwei in thermischem Kontakt stehende Körper ihre unterschiedlichen Temperaturen angleichen, ist das Anstreben des thermodynamischen Gleichgewichtes. Salopp formuliert bedeutet dies eine gleichmäßige Verteilung der Bewegungsenergien der Teilchen in beiden Körpern. Da die Bewegungsenergie letztlich ein Maß für die Temperatur darstellt, bedeutet dies somit auch das Einstellen einer gemeinsamen Gleichgewichtstemperatur. Eine solche Angleichung der Bewegungsenergien (Temperaturen) wurde im vorherigen Abschnitt anschaulich durch Stoßprozesse der Teilchen begründet.

Aus dem thermodynamischen Verständnis des Wärmebegriffs heraus wird auch deutlich, dass Wärmeenergie letztlich immer nur von einem heißeren ("energiereicheren") Körper auf den kühleren ("energieärmeren") Körper übertragen werden kann. Schließlich geben die schnelleren Teilchen des heißeren Stoffes einen Teil ihrer Energie an die langsameren Teilchen des kühleren Stoffes ab. Deshalb wird man im Alltag auch niemals beobachten, dass ein kühler Körper von selbst seine Temperatur verringert und gleichzeitig einen in Kontakt stehenden wärmeren Körper erwärmt. Vielmehr wird sich immer der wärmere der beiden Körper abkühlen und den kälteren erwärmen. Die dabei pro Zeit \(\Delta t\) übertragene Wärmeenergie \(Q\) des wärmeren Körpers auf den kühleren Körper wird auch als Wärmestrom \(I\) oder Wärmefluss \(\dot Q\) bezeichnet. Der Wärmestrom entspricht letztlich einer Wärmeleistung und wird deshalb auch häufig in der Einheit Watt angegeben.

\begin{align}\;\;\;\;\;
& \boxed{I =\dot Q = \frac{Q}{\Delta t}} ~~~[Q]=\frac{\text{J}}{\text{s}}=\text{W}  \\[5px]
\end{align}

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Animation: Temperaturdifferenz als Antrieb für den Wärmestrom

Der Wärmestrom ist salopp formuliert also immer von „warm nach kalt“ gerichtet. So müsste bspw. die Aussage "Im Winter sollte man die Fenster schließen, sonst kommt Kälte herein" also richtigerweise lauten "Im Winter sollte man die Fenster schließen, sonst wird Wärme entweichen"!

  • Wärme strömt immer von Stellen höherer Temperatur zu Stellen niedriger Temperatur!

Strömt von einem Körper nun Energie in Form von Wärme ab, so verringert sich in der Regel dessen Temperatur. Nimmt hingegen ein Körper Energie in Form von Wärme auf, so erhöht sich normalerweise dessen Temperatur. Ausnahmen von dieser Regel zeigen sich allerdings bei Aggregatzustandsänderungen. Dort beobachtet man im Allgemeinen trotz Wärmeumsatz keine Änderung der Temperatur solange sich der Aggregatszustand ändert.

Damit es zu einem Wärmestrom (d.h. zu einem Energieaustausch in Form von Wärme) kommt, muss zwingend eine Temperaturdifferenz vorhanden sein. Dies zeigt sich deutlich wenn zwei Körper in Kontakt miteinander gebracht werden. Nur wenn diese unterschiedliche Temperaturen aufweisen wird es zu einem Wärmestrom kommen. Die Temperaturdifferenz stellt gewissermaßen den Antrieb für den Wärmestrom dar. Der sich dabei ausbildende Wärmestrom weg von dem heißeren Körper (Kühlprozess) und hin zu dem kühleren Körper (Erwärmungsvorgang) sorgt dann letztlich für das Angleichen der unterschiedlichen Temperaturen.

Ferner zeigt die Praxis, dass der Wärmestrom dabei umso größer sein wird, je größer die Temperaturdifferenz ist. Die Temperaturdifferenz kann somit als Maß für die Antriebsstärke des Wärmestroms angesehen werden. Dieser Sachverhalt lässt sich ebenfalls mit dem Teilchenmodell nachvollziehen. Denn je größer der Temperaturunterschied zweier Stoffe, desto größer ist auch die Differenz in den Geschwindigkeiten (Bewegungsenergien) der jeweiligen Teilchen. Somit kann auch sehr viel Energie von den "schnelleren" auf die "langsameren" Teilchen übertragen werden, was letztlich ein großer Wärmeumsatz bzw. Wärmestrom bedeutet. Dies ist auch der Grund, weshalb sich die Temperaturkurven zweier in Kontakt stehender Körper zu Beginn rasch annähern, dann allerdings nach und nach abflachen.

  • Die Temperaturdifferenz ist ein Maß für die Antriebsstärke des Wärmestroms

Damit lässt sich auch erklären weshalb das Angleichen der Temperaturen zweier in Kontakt stehender Körper zu Beginn schneller abläuft als gegen Ende des Angleichprozesses (siehe Animation oben). So ist die Temperaturdifferenz zwischen den Körpern zu Beginn relativ hoch und es resultiert ein großer Wärmestrom. Dieser sorgt dafür, dass zunächst pro Zeiteinheit sehr viel Energie vom heißeren Gegenstand auf den kühleren Gegenstand übertragen wird. Die Temperatur des kühleren Körpers steigt entsprechend schnell an und die des heißeren Körpers sinkt rasch. Im weiteren Verlauf gleichen sich die Temperaturen immer mehr an und die Temperaturdifferenz sowie der damit verbundene Antrieb für den Wärmestrom wird geringer. Somit wird im Folgenden auch weniger Energie pro Zeiteinheit übertragen und die Temperaturen steigen bzw. sinken nicht mehr so schnell. Der Prozess der Temperaturangleichung verlangsamt sich folglich immer mehr. Sobald sich die Temperaturen angeglichen haben, kommt auch der Antrieb für den Wärmestrom zum Erliegen. Es wird effektiv keine Energie mehr ausgetauscht. Die Wärmeübertragung ist damit abgeschlossen und das thermodynamische Gleichgewicht erreicht.

Das untere Diagramm zeigt im Zeitraffer den Abkühlvorgang einer Herdplatte an Luft wie es mithilfe einer Wärmebildkamera aufgenommen wurde. Es wird deutlich, dass die Temperatur unmittelbar nach dem Abschaltvorgang rasch abfällt. Dann allerdings verlangsamt sich dieser Abkühlvorgang mehr und mehr. Schließlich wird nach der anfänglich starken Temperaturabnahme noch jede Menge Zeit vergehen, bevor man wieder auf die Herdplatte fassen kann. Wie bereits erwähnt, ist dieses verlangsamte Abkühlverhalten dem abnehmendem Wärmestrom geschuldet. Denn mit sinkender Temperatur nimmt auch die Temperaturdifferenz zur Umgebung hin ab und damit die Antriebsstärke des Wärmestroms. Dies resultiert letztlich in einem immer schwächer werdenden Wärmestrom, der den Abkühlvorgang somit allmählich verlangsamt.

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Animation: Abkühlung einer Herdplatte

Beachte, dass es sich auch bei diesem Vorgang strenggenommen um einen Angleichprozess der Temperaturen handelt. Während die Temperatur der Herdplatte sinkt, steigt theoretisch die Lufttemperatur der Umgebung. Letzteres ist jedoch in diesem Fall nicht beobachtbar, da aufgrund der großen Umgebung die Lufttemperatur nur minimal steigt.

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