Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung

Wärme fließt immer von selbst vom wärmeren zum kälteren Körper, bis beide dieselbe Temperatur haben. Dabei wird thermische Energie übertragen. Das kann auf drei Wegen passieren: durch Wärmeleitung, durch Wärmeströmung und durch Wärmestrahlung. Oft wirken mehrere davon gleichzeitig, wie du später am Beispiel der Heizung siehst.

Bei der Wärmeleitung geben Teilchen ihre Bewegung an Nachbarteilchen weiter, der Stoff selbst bleibt an seinem Platz. Metalle leiten Wärme gut, deshalb wird ein Metalllöffel im Tee schnell heiß. Luft, Holz und Styropor leiten schlecht und sind gute Dämmstoffe. Bei der Wärmeströmung, auch Konvektion genannt, bewegt sich dagegen der erwärmte Stoff selbst: Warme Luft oder warmes Wasser wird leichter, steigt auf und nimmt die Energie mit.

Wärmestrahlung braucht überhaupt keinen Stoff. Die Sonne erwärmt die Erde durch den nahezu leeren Weltraum, und am Lagerfeuer spürst du die Hitze im Gesicht, obwohl die Luft dazwischen kühl ist. Dunkle, matte Flächen nehmen Strahlung gut auf, helle glänzende werfen sie zurück. Ein typischer Fehler ist die Aussage, Kälte ströme ins Haus. Tatsächlich fließt Wärme immer nur in eine Richtung: von warm nach kalt, also aus dem Haus hinaus.

Ein Heizkörper zeigt besonders gut, wie die drei Übertragungsarten zusammenwirken. Warmes Heizwasser fließt durch das Metallgehäuse, und durch Wärmeleitung im Metall wird die gesamte Oberfläche des Heizkörpers warm. Die Teilchen im Metallgitter geben ihre Bewegungsenergie einfach an ihre Nachbarn weiter, bis auch die äußere Rippe warm ist.

An der warmen Oberfläche erwärmt sich anschließend die Luft. Warme Luft dehnt sich aus, wird dadurch leichter als die kühlere Umgebungsluft und steigt nach oben. Das ist Wärmeströmung: Die Heizkörperluft steigt zur Decke, kühlt am Fenster wieder ab, sinkt herunter und strömt am Boden zurück zur Heizung. Diese Kreisbewegung nennt man auch Konvektionswalze, sie sorgt dafür, dass sich die Wärme über den ganzen Raum verteilt.

Zusätzlich strahlt die warme Metalloberfläche des Heizkörpers direkt Wärme ab, ohne dass sich dazwischen Luft bewegen muss. Sitzt du nah am Heizkörper, spürst du diese Strahlungswärme sofort im Gesicht, noch bevor sich die Luft im ganzen Zimmer erwärmt hat. Deshalb wird es an einem sonnigen Fenster oft schon warm, obwohl die Raumluft insgesamt noch kühl ist.

Wie gut ein Stoff Wärme leitet, wird durch die Wärmeleitfähigkeit angegeben, in der Einheit Watt pro Meter und Kelvin, geschrieben W/(m·K). Ein hoher Wert bedeutet, dass viel Wärme pro Zeit durch den Stoff hindurchfließt, wenn ein Temperaturunterschied besteht. Metalle haben besonders hohe Werte, weil in ihnen frei bewegliche Elektronen die Energie zusätzlich schnell weitertransportieren, zusätzlich zu den schwingenden Atomen selbst.

Kupfer leitet mit rund 400 W/(m·K) noch besser als Aluminium mit etwa 235 W/(m·K), deshalb bestehen Kochtopfböden häufig aus diesen Metallen. Eisen liegt mit rund 80 W/(m·K) deutlich darunter. Glas kommt nur auf etwa 0,8 W/(m·K), Holz auf etwa 0,15 W/(m·K), und ruhende Luft leitet mit rund 0,026 W/(m·K) extrem schlecht. Genau deshalb dämmen Doppelglasfenster und Daunenjacken so gut: Sie schließen eine dünne Luftschicht ein, die kaum Wärme leitet, solange die Luft nicht in Bewegung gerät.

Der häufigste Fehler in Klassenarbeiten ist, Wärmeströmung und Wärmeleitung zu vertauschen, etwa wenn Schüler schreiben, die Luft über der Heizung werde durch Leitung warm. Tatsächlich erwärmt sich die Luft direkt an der Heizkörperoberfläche zwar teilweise durch Leitung, aber ihr Weiterverteilen im Raum geschieht durch Strömung, weil sich die warme Luft selbst bewegt. Ein zweiter Fehler betrifft die Einheit der Wärmeleitfähigkeit: Sie wird oft ohne die Kelvin-Angabe hingeschrieben, dabei gehört W/(m·K) immer vollständig dazu.

Im Alltag begegnen dir alle drei Übertragungsarten ständig gemeinsam. Eine Thermoskanne hält Tee stundenlang heiß, weil sie gezielt alle drei Wege bremst, wie du im nächsten Abschnitt siehst. Ein Doppelglasfenster nutzt die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Luft zwischen zwei Glasscheiben aus. Und dass Heizkörper oben deutlich wärmer werden als unten, liegt daran, dass warmes Wasser im Heizkörper selbst aufsteigt, also ebenfalls durch Strömung.