Wärmeleitung

Das im Abschnitt zuvor erläuterte Prinzip der Wärmeströmung kann grundsätzlich nur in solchen Stoffen erfolgen die auch die Fähigkeit haben zu strömen. Dies trifft somit nur auf Flüssigkeiten oder Gase zu. In Festkörper sind die einzelnen Teilchen hingegen an einen festen Ort gebunden und können somit nicht strömen. Ein Wärmetransport durch Konvektion ist in festen Stoffen deshalb nicht möglich. Aber dennoch zeigt der Alltag, dass auch in solchen Stoffen ein Wärmetransport erfolgen kann.

So wurde einleitend zum Kapitel Wärmetransport das Wärmebild eines Gebäudes bzw. einer heißen Tasse Tee gezeigt. Es wurde dabei festgestellt, dass auch durch einen Festkörper hindurch ein Wärmetransport stattfindet. Dies zeigte sich unter anderem an den erwärmten Fensterscheiben, an denen die Wärme offensichtlich aus dem Inneren des Gebäudes nach außen dringt. Aber auch durch die Porzellantasse drang Wärme und führte an der Außenseite zu einer Temperaturerhöhung. Es muss in diesen Fällen offenbar ein anderer Mechanismus zur Wärmeübertragung vorliegen im Vergleich zum Wärmetransport durch Konvektion.

Um dieses neue Prinzip der Wärmeübertragung zu untersuchen wird eine Stange zunächst horizontal an einem Stativ befestigt. Unter die Stange wird im Punkt A nun ein Bunsenbrenner aufgestellt, während am Ende der Stange im Punkt B ein Thermometer befestigt ist. Zusätzlich befinden sich auf der Stange in kleineren Abständen Wachstropfen. Wird der Bunsenbrenner eingeschaltet, so beobachtet man nach kurzer Zeit wie sich die Wachstropfen verflüssigen und von der Stange tropfen, während die Temperatur am Thermometer allmählich ansteigt.

Animation, Wärmetransport, Wärme-übertragung, Wärme-Leitung, Versuch, Wachs-Tropen, Stange

Animation: Wärmetransport durch Wärmeleitung

Es wurde folglich Wärmeenergie von der Wärmequelle A (Bunsenbrenner) zur Stelle B (Thermometer) transportiert, um diese Temperaturerhöhung hervorzurufen. Anders als bei der Wärmeströmung haben sich die „heißen“ Teilchen dabei allerdings nicht makroskopisch von A nach B bewegt. Schließlich sind in einem Festkörper die Teilchen an einen festen Ort gebunden und können sich nicht wie in Flüssigkeiten oder Gasen frei bewegen. Dies zeigt sich auch an den Wachstropen, die ortsgebunden schmelzen und sich während der Wärmeübertragung nicht von der eigentlichen Stelle bewegen.

Die Wärmeübertragung erfolgte in diesem Fall durch die elastischen Bindungskräfte (ähnlich einer Feder) zwischen den Teilchen. Wird ein Teilchen an einer bestimmten Stelle in Schwingung versetzt, so werden sich auch die benachbarten Teilchen durch die elastische Bindungskopplung in Schwingung versetzen. Energie kann somit von Teilchen zu Teilchen weitergeleitet werden, ohne dass sich diese dabei makroskopisch von der Stelle bewegen.

Dieses Prinzip der Weiterleitung der Energie von Teilchen zu Teilchen, ohne dass sich diese dabei über größere Distanzen bewegen, wird Wärmeleitung genannt. Wärme wird sozusagen durch den Stoff hindurch geleitet.

In Metallen erfolgt eine solche Wärmeleitung nicht nur durch die Atome sondern zusätzlich durch die darin befindlichen freien Elektronen („Elektronengas“). Die Elektronen könnend dabei durch Stoßprozesse mit anderen Elektronen ihre Energie weitergeben. Sie nehmen somit ebenfalls am Wärmetransport teil. Aufgrund der Vielzahl an freien Elektronen sind Metalle deshalb in der Regel sehr gute Wärmeleiter!

Die untere Animation zeigt die Veranschaulichung des Prinzips der Wärmeleitung, bei der Wärme von Stoffteilen zu Stoffteilchen weitergeleitet wird ohne dass diese sich dabei selbst mitbewegen.

Animation, Wärme-Leitung, Prinzip, Veranschaulichung, Wärmetransport, Wärmeübertragung

Animation: Veranschaulichung der Wärmeleitung

Diese Seite verwendet Cookies. Mit Verwendung dieser Seite erklären Sie sich hiermit ausdrücklich einverstanden. Für mehr Informationen sowie die Möglichkeit zur Deaktivierung klicken Sie auf "Datenschutzerklärung".
Datenschutzerklärung Einverstanden