Wärmeübertragung: Ein nahezu allgegenwärtiges Phänomen PDF
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Heinz Herwig Wärmeübertragung Ein nahezu allgegenwärtiges Phänomen essentials essentials liefern aktuelles Wissen in konzentrierter Form. Die Essenz dessen, worauf es als „State-of-the-Art“ in der gegenwärtigen Fachdiskussion oder in der Praxis ankommt. essentials informieren schnell, unkompliziert und verständlich • als Einführung in ein aktuelles Thema aus Ihrem Fachgebiet • als Einstieg in ein für Sie noch unbekanntes Themenfeld • als Einblick, um zum Thema mitreden zu können Die Bücher in elektronischer und gedruckter Form bringen das Expertenwissen von Springer-Fachautoren kompakt zur Darstellung. Sie sind besonders für die Nutzung als eBook auf Tablet-PCs, eBook-Readern und Smartphones geeignet. essentials: Wissensbausteine aus den Wirtschafts-, Sozial- und Geisteswissenschaf- ten, aus Technik und Naturwissenschaften sowie aus Medizin, Psychologie und Gesundheitsberufen. Von renommierten Autoren aller Springer-Verlagsmarken. Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/13088 Heinz Herwig Wärmeübertragung Ein nahezu allgegenwärtiges Phänomen Heinz Herwig Technische Universität Hamburg Hamburg, Deutschland ISSN 2197-6708 ISSN 2197-6716 (electronic) essentials ISBN 978-3-658-17337-1 ISBN 978-3-658-17338-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-17338-8 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio- grafie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Was Sie in diesem essential finden können • Eine Erklärung der Begriffe „Wärme“ und „Temperatur“ und welcher Zusam- menhang zwischen den Fächern „Wärmeübertragung“ und „Thermodynamik“ besteht. • Energieübertragung in Form von Wärme findet stets dann statt, wenn Tempe- raturunterschiede bestehen. • Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten der Wärmeübertragung: lei- tungsbasierte und strahlungsbasierte Wärmeübertragung. • Leitungsbasierte Wärmeübertragung ist ein physikalischer Nahwirkungsme- chanismus, der auf der Interaktion benachbarter Moleküle beruht. • Strahlungsbasierte Wärmeübertragung ist ein physikalischer Fernwirkungsme- chanismus im elektromagnetischen Feld der Wärmestrahlung. • Überlegungen im Zusammenhang mit der Entropieübertragung und -produk- tion. Diese folgen unmittelbar aus dem Zweiten Hauptsatz der Thermodyna- mik, werden aber (leider) häufig ignoriert. V Vorwort Dieser essential-Band möchte eine klare Vorstellung von der Physik der Wärme- übertragung vermitteln. Es soll deutlich werden, dass es sehr unterschiedliche Situationen gibt, in denen Wärmeübertragung eine Rolle spielt. Dies gilt für unse- ren Alltag ebenso wie für technische Prozesse und die Apparate und Anlagen, in denen sie ablaufen. Naturgemäß kann ein solcher essential-Band keine umfangreiche Monogra- fie ersetzen. Der große Vorteil besteht aber darin, dass die wesentlichen phy- sikalischen Vorgänge deutlich werden können. Dies bezieht sich im Fall der Wärmeübertragung auf die grundlegenden Mechanismen der Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Ein herzliches Dankeschön geht an Dr.-Ing. Andreas Moschallski und Herrn Thomas Zipsner für ihre hilfreichen Kommentare und Anmerkungen. Hamburg, Deutschland Heinz Herwig Frühjahr 2017 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung: Notwendige Klarstellungen ......................... 1 1.1 Was ist Wärme? Ein Begriff und viele Missverständnisse ......... 1 1.2 Was ist Temperatur? Ein Begriff und einige Missverständnisse ....................................... 3 1.3 Ein einfaches Experiment zu Wärme und Temperatur ............ 4 2 Die zwei grundsätzlichen Arten der Wärmeübertragung ........... 7 3 Leitungsbasierte Wärmeübertragung ........................... 11 3.1 Fouriersche Wärmeleitung ................................. 11 3.2 Situation L-W: Reine Wärmeleitung ......................... 13 3.3 Situation L-K: Konvektive Wärmeübertragung ................. 18 3.4 Situation L-P: Wärmeübertragung mit Phasenwechsel ........... 25 4 Strahlungsbasierte Wärmeübertragung ......................... 31 4.1 Die Physik strahlungsbasierter Wärmeübertragung .............. 31 4.2 Situation S-V: Strahlungsaustausch im Vakuum ................ 34 4.3 Situation S-F: Strahlungsaustausch durch transparente Fluide und Festkörper .................................... 39 4.4 Situation S-G: Gasstrahlung ................................ 43 5 Anmerkungen zur Wärmeübertragung als Wissenschaftsdisziplin ....................................... 45 5.1 Wärmeübertragung und Thermodynamik ..................... 45 5.2 Wärmeübertragung, ein technisch wichtiges Fach ............... 46 Literatur ...................................................... 49 IX 1 Einleitung: Notwendige Klarstellungen 1.1 W as ist Wärme? Ein Begriff und viele Missverständnisse Kaum jemand würde wohl an der Behauptung Anstoß nehmen, dass man Wärme übertragen und bei Bedarf auch speichern kann – schließlich besitzt z. B. ein Kraftwerk eine Reihe von Wärmeübertragern und Hausbesitzer mit moderner Heiztechnik verweisen mit Stolz auf ihren Wärmespeicher. Analysiert man aber z. B. den Begriff des Wärmeübertragers rein semantisch, so muss Wärme, die übertragen wird, etwas sein, was zunächst auf der einen Seite einer Systemgrenze vorhanden ist, nach der Übertragung aber auf der anderen Seite vorliegt. Eine sol- che Vorstellung hat es in der Tat gegeben, als man zu Beginn des 18. Jahrhunderts die Existenz einer masselosen Substanz Phlogiston vermutete, die übertragen wird, wenn man einen Körper erwärmt. Heute weiß man, dass die Phlogiston-Theorie ein wissenschaftlicher Irrweg war. Aber: Was ist dann Wärme? Die „richtige“ Antwort kann die Thermodyna- mik geben: Wärme ist eine Form des Energietransportes über eine Systemgrenze und damit eine sog. Prozessgröße. Dieser Definition trägt man Rechnung, wenn anstelle von „Wärmeübertragung“ von „Energieübertragung in Form von Wärme“ gesprochen wird. Abb. 1.1 zeigt ein allgemeines System, das bzgl. seines energetischen Zustands durch die Zustandsgröße Energie, unterteilt in verschiedene Energieformen, gekennzeichnet ist. Dieser energetische Zustand kann nur durch einen Transport von Energie über die Systemgrenze verändert werden, weil die Energie eine sog. Erhaltungsgröße ist, die weder erzeugt noch vernichtet werden kann. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 1 H. Herwig, Wärmeübertragung, essentials, DOI 10.1007/978-3-658-17338-8_1 2 1 Einleitung: Notwendige Klarstellungen (a) Energieformen (Zustandsgrößen) (b) Energietransportformen (Prozessgrößen) W: Energietransport in Form von Arbeit Q: Energietransport in Form von Wärme K: Massengebundener Transport innerer Energie durch Konvektion Abb. 1.1 Energierelevante Aspekte eines thermodynamischen Systems Eine von drei Möglichkeiten der Energieübertragung über eine Systemgrenze ist die „Energieübertragung in Form von Wärme“ – der allgemeinen Konvention folgend (leider) weiterhin als „Wärmeübertragung“ bezeichnet. Um es noch ein- mal ganz deutlich zu sagen: Wärmeübertrager sind Apparate, in denen Energie in Form von Wärme übertragen wird. Wärmespeicher sind Apparate, in denen Energie gespeichert werden kann, die zuvor in Form von Wärme übertragen worden ist. Es mag auf den ersten Blick wie „Haarspalterei“ anmuten, so präzise zu formulie- ren, die Erfahrung zeigt aber, dass ein wirkliches Verständnis der physikalischen Zusammenhänge nur möglich ist, wenn klar zwischen Zustands- und Prozessgrö- ßen in Bezug auf thermodynamische Systeme und die darin ablaufenden Prozesse unterschieden wird. Wenn auch in diesem essential weiterhin von „Wärmeübertragung“ gespro- chen wird, so steht dieser Begriff abkürzend für „Energieübertragung in Form von Wärme“. Ähnliches gilt für den weiterhin allgemein üblichen Begriff eines „Wärmespeichers“.
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