Man spricht von einer Wärmeübertragung, wenn zwischen zwei Systemen mit einem Temperaturunterschied Wärme vom System mit der höheren Temperatur zu demjenigen mit der niedrigeren Temperatur übertragen wird. Dies kann auf drei Arten erfolgen:
- durch Wärmeströmung (Konvektion),
- durch Wärmeleitung, wobei kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen übertragen wird,
- durch Wärmestrahlung mittels elektromagnetischer Wellen hauptsächlich im infraroten Spektrum.
Bild: Wärmeabstrahlung beim Menschen
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Wärmeströmung |
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Bei der Wärmeströmung (Konvektion) werden "Pakete von Wärme" übertragen, indem Atome oder Moleküle gasförmiger oder flüssiger Materialien sich bewegen. Wärmeströmung setzt also eine makroskopische Bewegung in einer Flüssigkeit oder einem Gas voraus. Der Wärmeinhalt wird so an andere Stellen transportiert.
Meist wirken aber bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Innerhalb von Festkörpern findet nur Wärmeleitung statt, in Flüssigkeiten und Gasen Wärmeleitung gekoppelt mit Konvektion. |
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Wärmeleitung |
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Unter Wärmeleitung wird der Wärmefluss in einem Feststoff, einer ruhenden Flüssigkeit oder einem ruhenden Gas verstanden. Wärme fließt dabei immer nur in Richtung geringerer Temperatur. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem bestimmten Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit λ. Die (spezifische) Wärmeleitfähigkeit in W/(K·m) ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. |
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Wärmedurchgang - Wärmedurchgangskoeffizient |
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Bei einem Wärmedurchgang etwa durch eine Glasschicht wird die Wärme durch einen Wärmeübergang von der Außenluft an die feste Glasschicht übertragen und weiter durch Wärmeleitung in der festen Glasschicht auf die andere Seite transportiert und dort durch einen weiteren Wärmeübergang an die Innenluft abgegeben.
Bedeutsam im Bauwesen ist der Wärmedurchgangskoeffizient (auch Wärmedämmwert oder U-Wert). Er ist ein Maß für den Durchgang von Wärme durch eine ggf. mehrlagige Materialschicht, wenn auf beiden Seiten verschiedene Temperaturen anliegen. Er gibt die Energiemenge (in Joule) an, die in einer Sekunde durch eine Fläche von 1 m² fließt, wenn sich die beidseitig anliegenden Lufttemperaturen um 1 K (1 Grad Kelvin) unterscheiden. Der Wärmedurchgangskoeffizient in W/(K·m²) ist eine spezifische Kennzahl der Materialzusammensetzung eines Bauteils. |
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Beispiele für Wärmedurchgangskoeffizienten
Weitere Zahlen lassen sich leicht mit Google finden.
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Baustoff |
Wandstärke |
U-Wert
(W/m²K) |
Außenwand aus Beton ohne Wärmedämmung |
25 cm |
3,3 |
Außenwand aus Mauerziegeln |
36,5 cm |
ca. 0,8 |
Außenwand Holzrahmenbau, wohnungstypischer Aufbau |
25 cm |
0,1 - 0,15 |
Acrylglas (Plexiglas) |
5 mm |
5,3 |
Einfachfenster |
- |
4,9 |
Doppelfenster |
- |
3,0 |
Fenster mit Isolierverglasung |
- |
2,8 - 3,0 |
Fenster mit Wärmeschutzverglasung |
- |
ca. 1,4 |
Fenster im Passivhausstandard |
- |
0,8 |
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Wärmeübergangskoeffizient - Wärmeübergangswiderstand |
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Die Wärmeübertragung an einer Grenzfläche wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten (auch Wärmeübergangszahl oder Wärmeübertragungskoeffizient genannt). Es ist ein Proportionalitätsfaktor, der die Intensität des Wärmeübergangs an einer Grenzfläche bestimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient in W/(K·m²) ist eine spezifische Kennzahl eines Materials bzw. von einem Material zu einer Umgebung in Form eines Fluids. Sein Kehrwert ist der Wärmeübergangswiderstand in (m²·K)/W.
- Je gößer der Wärmeübergangskoeffizient, desto schlechter ist die Wärmedämmeigenschaft der Stoffgrenze.
- Je größer der Wärmeübergangswiderstand, desto besser ist die Wärmedämmeigenschaft.
Der Wärmeübergangskoeffizient hat dieselbe Dimension wie der Wärmedurchgangskoeffizient. Letzterer bezieht sich immer auf eine ganze Schicht oder auf verschiedene Materialschichten. |
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Wärmedurchgang in der Zeit |
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Den Wärmedurchgang ΔQ durch eine Oberfläche A in der Zeit Δt beschreibt man durch:
ΔQ = U · A · [T(hoch) - T(tief)] ·Δt
wobei U der Wärmedurchgangskoeffizient ist. |
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Wärmestrahlung |
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Wärmestrahlung oder auch Temperaturstrahlung genannt, ist eine elektromagnetische Strahlung, die ein Körper abhängig von seiner Temperatur emittiert. Wärmestrahlung findet vorzugsweise zwischen Oberflächen, auch im Vakuum, statt.
Versuch: Mit einer leistungsstarken Lampe und einem Prisma wird auf einem 3 m entfernten Schirm ein breites Lichtspektrum erzeugt. Mit einer Thermosäule wird das Spektrum langsam abgetastet.
Ergebnis: Im Bereich des sichtbaren Lichtspektrums zeigt die Thermosäule keine Wärmestrahlung an. Aber unterhalb (infra) des sichtbaren Rots kann eine Infrarot-Strahlung gemessen werden.
Im Tagesverlauf lässt sich bei ansteigender Sonneneinstrahlung durch Abdunkeln die Wärmelast, die durch den infraroten Anteil des Sonnenlichtes eingestrahlt wird, deutlich verrringern.
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Wärmedämmung |
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Wärmedämmung sind Maßnahmen zur Eindämmung der Abgabe thermischer Energie an ihre Umgebung durch Einsatz von Dämmstoffen.
Man unterscheidet Außen-, Innen- und Kerndämmung. In weiten Teilen Deutschlands ist der einschalige Wandaufbau aus wärmedämmenden Baustoffen wie zum Beispiel Ziegel oder Bims- und Porenbeton gängig. In Norddeutschland ist der zweischalige Wandaufbau mit Kerndämmung häufig.
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