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Wärmeleitung

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Die Autor*innen
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André Otto
Wärmeleitung
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Wärmeleitung

Inhalt

Wärmeleitung in der Physik

Hast du dich schon einmal gefragt, warum sich eine Aluminiumdose und eine Plastikschachtel unterschiedlich kalt anfühlen, wenn du sie aus dem Kühlschrank holst, obwohl sie eigentlich dieselbe Temperatur haben? Das hat etwas mit dem Phänomen der Wärmeleitung zu tun. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen.

Was ist Wärmeleitung?

Wir stellen uns das folgende Experiment vor: Ein Kupferdraht ist so an einem Stativ befestigt, dass eines seiner Enden genau über einer brennenden Kerze hängt. Das Drahtstück, das sich direkt über der Flamme befindet, wird auf etwa $T_1 = 800~^{\circ}\pu{C}$ erhitzt. Das andere Ende des Drahts ist zu Beginn noch auf Raumtemperatur. Messen wir die Temperatur $T_2$ an diesem Ende zu verschiedenen Zeitpunkten $t_0$, $t_1$ und so weiter, stellen wir fest, dass sie langsam ansteigt – obwohl sich dieses Ende nicht über der Kerzenflamme befindet. Die Wärme muss also durch den Draht übertragen worden sein!

Wärmeleitung Beispiel Experiment

Wärmeleitung – Definition

Dieses einfache Experiment zeigt schon, was wir unter Wärmeleitung verstehen. Für eine Definition müssen wir nur ein paar weitere Kriterien berücksichtigen, um die Wärmeleitung von anderen Formen des Wärmeübertrags abzugrenzen:

Wärmeleitung ist die Übertragung oder der Transport von thermischer Energie innerhalb eines Stoffs oder zwischen Stoffen, die in direktem Kontakt stehen, ohne dass dabei Materie transportiert wird. Die Richtung der Wärmeleitung zeigt dabei immer von Körpern bzw. Zonen höherer Temperatur zu Körpern bzw. Zonen niedrigerer Temperatur.

Zu Beginn unseres Experiments gab es innerhalb des Drahts über der Kerze eine Zone höherer Temperatur. Die Wärmeleitung erfolgte von dieser Zone in Richtung des anderen Endes, also zu einer Zone niedrigerer Temperatur.

Wärmeleitung – Erklärung

Auf mikroskopischer Ebene können wir uns die Wärmeleitung erklären, wenn wir uns an das Teilchenmodell der Temperatur erinnern.

Diesem Modell zufolge führt eine Erhöhung der Temperatur dazu, dass sich die Teilchen eines Stoffs schneller bewegen bzw. schneller um ihre Ruhelage schwingen. Da die Teilchen in einem Festkörper, wie zum Beispiel in einem Kupferdraht, miteinander verbunden sind, wird die Bewegungsenergie eines Teilchens teilweise auf die Nachbarteilchen übertragen. Das kannst du dir so vorstellen, als wären die Teilchen durch elastische Federn miteinander verbunden. Wackelst du an einem Teilchen, wird diese Schwingung über die Federn an die umliegenden Teilchen übertragen.

Wärmeleitung – Formel

Wie gut Wärme übertragen wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, die experimentell bestimmt werden können. Die Leitung beschreibt man über den sogenannten Wärmestrom $\dot{Q}$. Das ist die pro Zeit übertragene Wärmemenge $Q$.

Würden wir für den Kupferdraht unterschiedliche Temperaturdifferenzen $T_1 - T_2$ untersuchen, würden wir feststellen, dass die Stärke des Wärmestroms größer ist, wenn die Temperaturdifferenz größer ist.

Der Wärmestrom ist außerdem größer, wenn die Fläche $A$ größer wird, über die die Wärme übertragen wird. Im Gegensatz dazu wird der Wärmestrom kleiner, wenn der Abstand $d$ zwischen den beiden Zonen mit den Extremwerten der Temperatur größer wird.

Zu guter Letzt hängt der Wärmestrom auch davon ab, welches Material wir betrachten. In der Formel schlägt sich das in der stoffspezifischen Konstanten $\lambda$ nieder, die auch als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird.

Insgesamt erhalten wir für den Wärmestrom die folgende Formel:

$\dot{Q} = \lambda \cdot A \cdot \frac{ T_1 - T_2 }{ d }$

Anhand der Wärmeleitfähigkeit $\lambda$ können wir Stoffe unterscheiden und in schlechte und gute Wärmeleiter unterteilen.

Wärmeleitung – Beispiele für die Leitfähigkeit

In der folgenden Tabelle haben wir ein paar Beispiele für gute und schlechte Wärmeleiter aufgelistet:

gute Wärmeleiter schlechte Wärmeleiter
Silber Holz
Kupfer Kunststoffe
Aluminium Wasser

Aluminiumdose und Plastikschachtel

Und was hat das nun alles mit der Aluminiumdose und der Plastikschachtel aus dem Kühlschrank zu tun?

Wir können mit unserer Haut keine Temperatur fühlen, auch wenn wir das umgangssprachlich so ausdrücken. In Wahrheit spüren wir die Wärmeübertragung. Die Aluminiumdose hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Wenn wir sie in die Hand nehmen, spüren wir, dass es einen hohen Wärmestrom von unserer Hand zur Dose gibt – und das fühlt sich kalt an. Die Plastikschachtel ist aus Kunststoff mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit. Hier ist der Wärmestrom viel geringer und deswegen fühlt sich die Plastikschachtel nicht so kalt an.

Transkript Wärmeleitung

Hallo und ganz herzlich willkommen! Dieses Video heißt Wärmeleitung. Du kennst bereits Wärme, Energieumwandlung, Energiewandler, thermische Energie und das Teilchenmodell. Nachher kennst du die Wärmeleitung, du kannst Beispiele dafür nennen und du kannst die Wärmeleitung mit dem Teilchenmodell erklären. Erstens: Milch für das Kind. Dieses Kind schreit. Es hat Hunger. Glücklicherweise trinkt es schon Kuhmilch. Ich habe noch etwas im Kühlschrank. Vorsichtshalber probieren. Die Milch ist ja viel zu kalt. Nur nicht in die Mikrowelle. Das ist zu heiß! Ich habe eine andere Idee. Erst einmal müssen wir Wasser erhitzen, zum Sieden bringen. Na komm mal schon, das Kind schreit. Es kocht. So, jetzt das heiße Wasser in das große Glasgefäß eingießen. Und nun stelle ich das Glas mit der Milch hinein. Nun müssen wir noch ein bisschen warten. Nach fünf Minuten: Na, ich probiere nochmal. Die Milch ist nun schön warm. Es hat eine Wärmeübertragung vom heißen Wasser über das Glas zur Milch stattgefunden. Eine solche Wärmeübertragung nennt man Wärmeleitung. Ach, um dich muss ich mich noch ganz schnell kümmern. Zweitens: Wärme und thermische Energie. Dieser Situation begegnen wir häufig. Wir haben einen warmen Körper und der hat direkten Kontakt zu einem kalten Körper oder der Umgebung. Dann fließt Wärme vom warmen Körper zum kalten Körper oder zur Umgebung, die Fähigkeit eines Körpers an einen kälteren Körper Wärme abzugeben, bezeichnet man als thermische Energie. Das Symbol für die thermische Energie ist E_therm. Ihre Einheit ist das Joule, abgekürzt J. Drittens: Wärmequellen als Energiewandler. Die für uns wichtigste Wärmequelle ist die Sonne. Sie verwandelt Nuklearenergie in Wärme. Unsere Erde verwandelt geothermale Wärme in atmosphärische Wärme. Ein Beispiel dafür sind die Geysire. Ein Toaster. Er verwandelt elektrische Energie in Wärme. Das Feuer ist einer der ältesten vom Menschen genutzter Energiewandler. Es verwandelt chemische Energie in Wärme. Viertens: Wärmeleitung und Teilchenmodell. Erinnert euch an den Milchversuch! Dort fand eine Wärmeübertragung zwischen mehreren Stoffen statt. Und nun ein weiteres Experiment. Hier habe ich eine Kerze. Das ist ein Messingbarren. Die Kerze wird angezündet. Den Barren lege ich auf das große Becherglas. Und zwar so, dass er auf der einen Seite etwas übersteht. Auf dieser Seite wird er von der Kerze erwärmt. Nach einigen Minuten stelle ich in der Mitte eine Erwärmung fest. Jetzt ist es in der Mitte schon sehr heiß. Und nun hat die Wärme die andere Seite des Barrens erreicht. Der ganze Barren ist heiß. Nach fünf Minuten hat sich der gesamte Barren stark erwärmt. Folglich: Wärmeleitung gibt es auch innerhalb eines Stoffes. Wärmeleitung ist die Übertragung oder der Transport von thermischer Energie innerhalb eines Stoffes, in dem verschiedene Temperaturen herrschen oder zwischen Stoffen verschiedener Temperaturen, die in direktem Kontakt stehen, ohne dass dabei Materie transportiert wird. Die Wärmeleitung kann man mit dem Teilchenmodell erklären. Das sind einige Teilchen. Und zwar wollen wir einen Feststoff betrachten. Alle Teilchen sind miteinander verbunden. Wir erwärmen mit einer Kerze an einem Ende des Feststoffs. Die Teilchen dort werden erwärmt. Sie geraten in Schwingung. Das am stärksten erwärmte Teilchen schwingt am stärksten. Und gleichzeitig zieht es seine Nachbarn mit. Dieses wiederum seine Nachbarn und so weiter. Allmählich kommt es zu Schwingungen aller Teilchen. Auch das letzte Teilchen schwingt nun. Das bedeutet, es hat sich erwärmt. Die Wärmeleitung ist innerhalb des Stoffes von links nach rechts erfolgt. Fünftens: Starke und schwache Wärmeleitung. Zunächst einmal dieser Fall: Wir haben einen heißen und einen kalten Körper, die einander berühren. Dann ist die Wärmeübertragung stark. Ist der eine Körper nicht heiß, sondern nur lauwarm, und der andere ebenfalls kalt, dann ist die Wärmeübertragung entsprechend stärker. Die Stärke der Wärmeleitung hängt von der Temperaturdifferenz der beteiligten Körper ab. Außerdem hängt die Wärmeleitung vom Wärmeleiter ab. Es gibt gute Wärmeleiter, schlechte Wärmeleiter und sehr schlechte Wärmeleiter. Gute Wärmeleiter sind viele Metalle wie Silber, Kupfer oder Stahl. Ein schlechter Wärmeleiter ist Wasser. Sehr schlechte Wärmeleiter sind viele Nichtmetalle. So wie Luft, Styropor, Holz oder Papier. Sechstens: Kaltes Metall und warmes Holz. Die metallische Schöpfkelle fühlt sich kalt an. Der Holzlöffel hingegen warn. Wir haben 24°C im Raum. Und alle Gegenstände sind gleich warm. Die Schöpfkelle ist ein guter Wärmeleiter. Der Holzlöffel ein schlechter Wärmeleiter. Das Metall transportiert die Wärme unseres Körpers schneller. Daher empfinden wir es als kalt. Siebtens: Was bedeutet das Introbild? Dieses Experiment ist ähnlich zu unserem Kerzenexperiment. In gewissen Abständen von der Kerze hat man einen niedrig schmelzenden Stoff, wahrscheinlich Schokolade aufgetragen. Bei Erwärmen schmelzen die Stückchen nacheinander ab. Es besteht Wärmeleitung. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute. Tschüss.

39 Kommentare

39 Kommentare
  1. toll

    Von DER_BAUM, vor 4 Monaten
  2. Thema jetzt gut verstanden. Dankeeeeeeeeee

    Von Itslearning Nutzer 2535 410716, vor 6 Monaten
  3. Sehr gut erklärt

    Von Itslearning Nutzer 2535 410716, vor 6 Monaten
  4. Ich fande das Video sehr hilfreich!

    Von Fernblau Zingst, vor mehr als einem Jahr
  5. Man kann es besser erklären

    Von Ayseguelkurtoglu, vor mehr als einem Jahr
Mehr Kommentare

Wärmeleitung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wärmeleitung kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff Wärmeleitung.

    Tipps

    Ein Messingbarren wird mit einem Ende über eine Kerzenflamme gehalten und erwärmt sich vollständig.

    Ein Glas mit kalter Milch wird in einem Wärmebad erhitzt.

    Lösung

    Wärmeleitung ist eine Form des Wärmetransports zwischen thermodynamischen Systemen in der Physik. In der Physik gibt es insgesamt drei Möglichkeiten, wie thermische Energie von einem wärmeren Körper auf einen kälteren Körper in Form von Wärme übertragen werden kann. Mit den anderen beiden Formen, der Wärmestrahlung und der Konvektion, kannst du dich in den entsprechenden Videos vertraut machen, um dein Wissen zu erweitern.

    Wärmeleitung tritt innerhalb eines Stoffes auf, in dem verschiedenen Temperaturen herrschen. Ein typischer Versuch dazu ist ein Messingbarren, der an einem Ende von einer Kerze erwärmt wird. Die Temperatur des Messingbarrens nimmt mit der Zeit im gesamten Barren zu, weil innerhalb des Barrens Wärme vom erhitzten Ende bis zum kalten Ende transportiert wird. Bei einem flüssigen oder gasförmigen Stoff kann es neben der Wärmeleitung zu einer anderen Form des Wärmetransportes kommen. Bilden sich Materieströmungen aufgrund von Dichteunterschieden aus, spricht man Konvektion.

    Wärmeleitung tritt auch zwischen zwei oder mehr Stoffen unterschiedlicher Temperatur auf, aber nur, wenn sich diese berühren, also in direktem Kontakt zueinander stehen. Eine Übertragung ohne direkten Kontakt hingegen bezeichnet man als Wärmestrahlung. In einem Wasserbad wird so beispielsweise zunächst das Glas und anschließend die Milch in einem Gefäß erhitzt. Dabei darf jedoch keine Materie transportiert werden, sonst handelt es sich ebenfalls um Konvektion.

  • Beschreibe, wie gut verschiedenen Stoffe Wärme leiten.

    Tipps

    Welche Stoffe sind gute Wärmeleiter, welche nicht?

    Was passiert, wenn man mit einem Stoff in Kontakt kommt, der ein vergleichsweise guter Wärmeleiter ist?

    Lösung

    Ob die Wärmeleitung in einem Stoff oder zwischen mehreren Stoffen stark oder schwach ist, hängt neben der Temperaturdifferenz auch von der Wärmeleitfähigkeit der Stoffe ab.

    Gute Wärmeleiter sind Metalle, sehr schlechte hingegen Nichtmetalle wie Luft, Styropor (auch Plastik), Holz und Papier. Wasser liegt zwischen diesen beiden Extremen, ist aber auch ein verhältnismäßig schlechter Wärmeleiter.

    Wie viel Wärme zwischen zwei Stoffen übertragen wird, hängt also auch davon ab, wie gut die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe ist. Ein Metalllöffel ist ein sehr guter Wärmeleiter. Er erscheint uns bei Berührung kälter als ein gleichwärmer Holzlöffel, weil er der Haut in kürzerer Zeit mehr thermische Energie entzieht und diese damit schneller auskühlt. Einen vergleichbaren Effekt erzielen Wasser und Luft. Wasser ist ein besserer Wärmeleiter als Luft. Kaltes Wasser entzieht dem Körper in der gleichen Zeit mehr Energie als kalte Luft und der Körper beginnt schneller zu frieren.

  • Erkläre, bei welchen der beschriebenen Phänomene Wärmeleitung auftritt.

    Tipps

    Drei Beispiele beschreiben den direkten Kontakt zwischen einem wärmeren und einem kälteren Körper.

    Ein Beispiel beschreibt einen Stoff, der teilweise durch die Sonne erwärmt wird.

    Bei den anderen beiden Beispielen tritt Wärmeübertragung entweder durch Konvektion oder Wärmestrahlung auf.

    Lösung

    Wärmeleitung liegt immer dann vor, wenn zwei Stoffe unterschiedlicher Temperatur in direktem Kontakt sind. Dann wird thermische Energie in Form von Wärme vom Stoff mit der höheren Temperatur auf den Stoff mit der geringeren Temperatur übertragen. An einem Meeresstrand im Sommer ist dies zum Beispiel der Fall bei:

    - heißem Sand, der in Kontakt mit menschlicher Haut kommt.

    - warmer Luft, die Textilien erwärmt.

    - menschlicher Haut, die Wärme an des Meerwasser abgibt.

    Aber auch innerhalb eines Stoffes kann Wärmeleitung auftreten, wenn eine Temperaturdifferenz vorliegt. Dies ist hier zum Beispiel der Fall, wenn Sand teilweise durch die Sonnenstrahlung erwärmt wird und diese Wärme an den beschatteten Sand weiterleitet.

    Erwärmt die Strahlung der Sonne die Meeresoberfläche, liegt jedoch Wärmestrahlung vor. Es gibt keinen direkten Kontakt zwischen Sonne und Meer. Auch keine Wärmeleitung liegt vor, wenn sich beispielsweise im Meer aufgrund von Dichteunterschiedenen Konvektionsströme bilden, da hier neben Wärme auch Materie transportiert wird.

  • Schließe mit Hilfe deines Wissens auf die Wärmeleitfähigkeit einiger wichtiger Stoffe.

    Tipps

    Welche Stoffgruppe umfasst gute Wärmeleiter, welche sehr schlechte?

    Welcher Stoff ordnet sich in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit im Zwischenfeld dieser beiden Gruppen ein?

    Lösung

    Diamant besitzt mit Abstand die größte Wärmeleitfähigkeit der genannten Stoffe. Sie liegt bei etwa $2~300\frac {W} {m\cdot K}$. Da er sehr rein und strukturiert ist, können sich in ihm die Schwingungen fast ungestört ausbreiten.

    In den Metallen und den metallischen Verbindungen wie Silber, Kupfer und Stahl ist die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch und beträgt meist einige $100\frac {W} {m\cdot K}$. Hier wird die thermische Energie jedoch weniger durch Schwingungen der gekoppelten Teilchen übertragen, sondern durch die freien Leitungselektronen. Silber besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von etwa $430\frac {W} {m\cdot K}$, gefolgt von Kupfer mit $300\frac {W} {m\cdot K}$ und Stahl mit $50\frac {W} {m\cdot K}$.

    Zu den schlechten Wärmeleitern gehört Wasser mit rund $0,6\frac {W} {m\cdot K}$. Die Kopplung zwischen den Teilchen und somit auch der Übertrag der Schwingungen ist deutlich schwächer.

    Dieser Effekt nimmt bei den sehr schlechten Wärmeleitern zu. Die Feststoffe Holz ($0,1\frac {W} {m\cdot K}$) und Papier ($0,04\frac {W} {m\cdot K}$) besitzen dabei noch höhere Wärmeleitfähigkeiten als Gase wie Luft ($0,03\frac {W} {m\cdot K}$).

  • Gib an, durch welche Energieform die gezeigten Energiewandler Wärme übertragen können.

    Tipps

    Nuklearenergie wird durch Fusionsprozesse zur Verfügung gestellt.

    Geothermale Wärme wird auch mit dem Begriff Erdwärme bezeichnet.

    Ein Stromfluss stellt elektrische Energie zur Verfügung.

    In Brennmaterial wie Holz, Kohle oder Papier ist die Energie der Sonne aus der Photosynthese gespeichert.

    Lösung

    Die Sonne bezieht ihre Energie, die sie nach außen abstrahlt, aus den Fusionsprozessen in ihrem Innern. Wasserstoffkerne verschmelzen zu Heliumkernen und setzen dabei Energie frei. Man spricht daher von Nuklearenergie.

    In der Erde ist Energie in Form von Erdwärme, also geothermaler Energie, vorhanden. Diese kann beispielsweise durch Geysire in atmosphärische Wärme überführt werden.

    Die elektrische Energie eines Toasters wird zum Bräunen verwendet. Der Stromfluss in den Spiralen des Toasters verursacht durch Reibungseffekte Wärme, die im Falle dieser Anwendung genutzt wird. Meistens ist der Energieverlust in Form von Wärme bei elektrischen Leitern jedoch unerwünscht.

    Verbrennungsprozesse wie bei Flammen setzen ebenfalls Wärme frei. Die Energie ist in den Brennstoffen in Form von chemischer Energie gespeichert. Diese stammt ursprünglich aus der Photosynthese der jeweiligen Planzen.

  • Identifiziere anhand der Versuchsergebnisse die verwendeten Metalle.

    Tipps

    Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto besser transportiert das Metall thermische Energie.

    Lösung

    Die Metalle werden in dieser Versuchsreihe anhand ihrer Wärmeleitfähigkeit voneinander unterschieden.

    Der Stab, bei dem die Kugel als erstes nach unten fällt, besitzt die höchste Wärmeleitfähigkeit. Das Wachs am anderen Ende des Stabes schmilzt am schnellsten durch die zugeleitete Wärme und dadurch löst sich die Kugel. Von den vier untersuchten Metallen ist dieser Stab somit aus Gold (Metall 3).

    Der Stab, bei dem die Kugel als letztes nach unten fällt, besitzt die geringste Wärmeleitfähigkeit, also Titan (Metall 4). Eisen und Messing besitzen recht ähnliche Wärmeleiteigenschaften. Die Wärmeleitfähigkeit von Messing (Metall 1) ist etwas besser als die von Eisen (Metall 2).

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