Wärmelehre Die Wärmeleitung
Von: Christian Döllinger
Stand: 16.06.2021 |Bildnachweis
Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:
- Warum besteht Kochgeschirr meist aus Metall?
- Erkläre, warum man die Griffe von Kochtöpfen mit Kunststoff ummantelt.
- Worauf ist die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen zurückzuführen?
- Wodurch zeichnet sich Winterkleidung aus?
- In schneereichen Jahren erfrieren deutlich weniger Pflanzen als in einem gleichkalten Winter, in dem nur wenig Schnee fällt. Warum?
Weiter unten findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.
Die Wärmeleitung hat ihre Ursache in Energieübertragungen, die zwischen den Teilchen des betreffenden Körpers erfolgen: Wird ein Körper erwärmt, so vergrößert sich die Bewegungsenergie seiner Teilchen an der Erwärmungsstelle, was sich für uns in einer Temperaturerhöhung bemerkbar macht. Bei einem festen Körper, wo die Teilchen an ihre Plätze im Gitter gebunden sind, werden die Teilchen an der Erwärmungsstelle zu heftigeren Schwingungen um ihre Ruhelage gezwungen. Durch die starken Kräfte zwischen den Teilchen werden auch die benachbarten Teilchen mitgerissen, so dass sie ebenfalls stärker schwingen.
Dies bedeutet aber, dass sich die Temperatur auch an den Stellen, die in der Nähe der Erwärmungstelle liegen, erhöht. Diese durch die Energieübertragung zwischen den Gitterteilchen erzwungene Temperaturerhöhung setzt sich schließlich durch den gesamten Körper hindurch fort, d. h. die Wärme breitet sich von der Erwärmungsstelle nach allen Richtungen aus.
Dies ist besonders ausgeprägt bei festen Körpern mit einer hohen Ordnungsstruktur wie sie die Metalle aufweisen, im Gegensatz zu anderen Feststoffen wie Holz, Glas und den meisten Kunststoffen. Dazu kommt bei Metallen noch der Beitrag der freien Elektronen, die nur die Metalle (und einge Elemente der Kohlenstoffgruppe) aufweisen. Die freien Elektronen stoßen mit den Gitterteilchen zusammen. Da diese an der Erwärmungsstelle heftigere Schwingungen ausführen, übertragen sie beim Aufprall einen Teil ihrer Überschussenergie auf die Elektronen. Diese können sich im Metallgitter frei bewegen und daher bei Zusammenstößen mit Gitterteilchen außerhalb der Erwärmungsstelle ihre zuvor zusätzlich aufgenommene Energie auf diese übertragen.
Dass die freien Elektronen einen wesentlichen Beitrag zur guten Wärmeleitfähigkeit der Metalle liefern zeigt sich daran, dass die besten Stromleiter wie Silber und Kupfer zugleich auch besonders gute Wärmeleiter sind. Festkörper, die nicht aus Metall bestehen, besitzen keine freien Elektronen (sie leiten daher den elektrischen Strom nicht) und sind daher wesentlich schlechtere Wärmeleiter.
Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist eine Einbahnstraße: Voraussetzung ist eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern, die in Kontakt gebracht werden. Sie stellt eine Energieübertragung durch Wärme dar, wobei diese stets vom Körper mit der höheren Temperatur auf den mit der niedrigeren übergeht, nie umgekehrt.
Die Wärme, die in einer bestimmten Zeit vom Körper mit der höheren auf den mit der niedrigeren Temperatur übertragen wird, hängt neben dem Temperaturunterschied auch von der Größe der Oberfläche des Körpers ab. Deshalb haben z. B. Tiere, die in den niederen Breiten beheimatet sind (wie etwa Elefanten) große, gut durchblutete Ohren, da sie über ihre Ohren viel Wärme an die umgebende Luft übertragen können. Tiere in Polargebieten dagegen haben im allgemeinen kleine Ohren.
Für die Eroberung kälterer Klimazonen und die Anpassung an geänderte Klimabedingungen von Warm- zu Kaltzeiten haben gleichwarme Tiere im Laufe der Evolution wirksame Schutzmechanismen zur Wärmeisolation, also zur Vermeidung von großen Wärmeverlusten durch Wärmeleitung aus dem Körper in die Umgebungsluft, entwickelt.
Dabei kommen zwei Effekte zum Tragen: ein innerer Wärmeschutz durch eine dicke, schlecht wärmeleitende Fettschicht und ein äußerer Schutz durch ein dichtes Fell oder – bei Vögeln – Federkleid. Die wärmeisolierende Wirkung des Fells bzw. des Federkleides beruht auf der zwischen den Haaren bzw. Federn eingeschlossenen Luft: Sie wird dadurch in ihrer freien Beweglichkeit behindert, bleibt also weitgehend an Ort und Stelle und wird durch die Körperwärme erwärmt. Aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit umgibt die Luft in den Zwischenräumen der Haare und Federn das Tier mit einer Schutzschicht, die verhindert, dass die sehr kalte Umgebungsluft in direkten Kontakt mit dem Körper des Tieres kommt.
Die isolierende Wirkung der zwischen den Haaren und Federn eingeschlossenen Luft nimmt mit ihrer Mächtigkeit zu. Deshalb wechseln viele Tiere vor dem Winter ihr Fell, das Sommerfell wird durch ein dickeres Winterfell, das mehr Luft einschließen kann, ersetzt. Vögel plustern sich bei niedrigen Temperaturen auf und vergrößern damit ebenfalls die isolierende Luftschicht.
Selbst wir Menschen haben uns in Form der "Gänsehaut" einen winzigen Rest dieses Schutzmechanismus erhalten: Die kleinen Haare auf unserer Haut sind der spärliche Überrest des Fells, das unsere Urahnen trugen. Winzige Muskeln im Inneren der Haut sorgen dafür, dass sich bei Kälteempfinden die Härchen aufstellen - ein Reflex, durch den bei der dichteren Behaarung der Urmenschen die Mächtigkeit der in den Haaren eingeschlossenen Luft vergrößert werden konnte.
Tieren, die im Wasser leben, würde ein dichtes Fell nichts nützen, da das Wasser die isolierende Luft zwischen den Haaren verdrängen und aufgrund seiner beträchtlich größeren Wärmeleitfähigkeit deren Schutzwirkung zerstören würde. Tiere, die in kalten Gewässern leben, haben deshalb dicke Fettschichten entwickelt, um die Wärmeverluste im kalten Wasser zu begrenzen. Andere Tiere wie Seeotter oder Piguine besitzen eine spezielle Drüse, die ein Sekret absondert, mit dem die Tiere ihr Fell einfetten und so ein Eindringen des Wassers verhindern.
Bei vielen Tieren und auch beim Menschen verengen sich bei großer Kälte die Blutgefäße und vermindern dadurch die Wärmeabgabe an die Umgebung.
Frage
Warum besteht Kochgeschirr meist aus Metall?
Antwort
Bei Kochtöpfen kommt es darauf an, dass die Wärme von der Herdplatte möglichst schnell auf die zuzubereitenden Speisen im Kochtopf übertragen wird. Daher stellt man sie aus gut wärmeleitendem Material, also aus Metall, her.
Frage
Erkläre, warum man die Griffe von Kochtöpfen mit Kunststoff ummantelt.
Antwort
Kunststoffe sind im Gegensatz zu Metallen schlechte Wärmeleiter. Daher erwärmen sich die Griffe weit weniger als das Gehäuse der Kochtöpfe.
Frage
Worauf ist die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen zurückzuführen?
Antwort
Die gute Wärmeleitfähigkeit der Metalle ist auf die großen Kräfte zwischen den Teilchen aufgrund der hohen Ordnungsstruktur des Metallgitters (und auf den Beitrag ihrer freien Elektronen zur Wärmeleitung) zurückzuführen.
Frage
Wodurch zeichnet sich Winterkleidung aus?
Antwort
Kleidung für kalte Tage soll die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung vom Körper auf die umgebende kalte Luft weitgehend unterbinden. Als Material für Winterkleidung eignen sich daher schlecht wärmeleitende Materialien. Besonders effektiv sind Kleidungsstücke, die - vergleichbar dem Fell der Tiere - viel Luft einschließen.
Frage
In schneereichen Jahren erfrieren deutlich weniger Pflanzen als in einem gleichkalten Winter, in dem nur wenig Schnee fällt. Warum?
Antwort
Eine Schneedecke - vor allem aus lockerem Schnee - ist ein hervorragender Wärmeschutz für die von ihr bedeckten Pflanzen, da zwischen den Eiskristallen viel Luft eingeschlossen ist. Eine vom Gewicht pro Flächeneinheit gleich schwere, dünne, kompakte Schneedecke aus Altschnee enthält wesentlich weniger Luft und stellt daher nur einen unzureichenden Wärmeschutz für die Pflanzen dar.