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Was ist Wärmeleitung?

Wir haben Wärmeleitung bereits definiert, als wir die Wärmeübertragung kennengelernt haben.
Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme vom heißeren Teil des Materials auf den kälteren Teil, ohne dass sich die Teilchen tatsächlich bewegen.
Bei der Wärmeleitung wird die Wärmeenergie nur auf die aufeinanderfolgenden Moleküle übertragen. Dabei verlassen die Moleküle ihre mittlere Position überhaupt nicht. Bei der Wärmeleitung übertragen die Teilchen des Mediums also Wärme, ohne die mittlere Position zu verlassen.
Wärmeleitung findet in Flüssigkeiten und Festkörpern nicht statt. Das liegt daran, dass sich die Moleküle sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten zufällig oder in eine bestimmte Richtung bewegen.

Wie funktioniert Wärmeleitung

Wenn ein Ende eines Metallstabes erhitzt wird, beginnen die Moleküle an diesem Ende immer schneller zu schwingen. Diese Teilchen am heißen Ende haben eine größere kinetische Schwingungsenergie im Vergleich zu den Teilchen, die nicht direkt der Hitze ausgesetzt sind. Diese sich schneller bewegenden Teilchen/Moleküle kollidieren mit ihren Nachbarmolekülen.

Bei der Kollision übertragen sie einen Teil ihrer Energie auf die benachbarten Moleküle. Auf diese Weise übertragen schneller bewegte oder schwingende Moleküle die Wärmeenergie auf benachbarte Moleküle. Diese wiederum geben einen Teil ihrer Energie an die Moleküle in ihrer Nähe ab. So wird die Energie durch Molekülkollisionen vom heißen Ende des Objekts auf sein kaltes Ende übertragen. Die Wärmeübertragung setzt sich fort, bis beide Enden des Objekts die gleiche Temperatur haben. Auf diese Weise wird die Energie der thermischen Bewegung von einem Molekül zum nächsten weitergegeben, wobei ihre mittlere Position fixiert bleibt.
Feste Stoffe, die Wärme leicht leiten, sind gute Wärmeleiter. Zum Beispiel Silber, Kupfer usw. Alle Metalle sind gute Wärmeleiter.
Stoffe, die Wärme nicht gut leiten, nennt man schlechte Wärmeleiter. Zum Beispiel Holz, Stoff, Luft, Papier usw.

Gute Wärmeleiter sind in der Regel auch gute Stromleiter

• Im Winter erscheint der Metallgriff kälter als die Holztür. Dies geschieht, weil der Metallgriff ein guter Wärmeleiter ist und die Wärme von unserem Körper zum Griff fließt. Daher fühlt er sich kalt an
• Kochutensilien werden mit Holzgriffen versehen. Das liegt daran, dass der Holzgriff keine Wärmeleitung vom heißen Gerät zur Hand zulässt.
• Eine neue Bettdecke ist wärmer als eine alte Bettdecke, weil die neue Bettdecke mehr Luft in ihren Poren enthält als die alte Bettdecke.
• Ein Kühlschrank ist mit isolierten Wänden versehen, um die Möglichkeit zu minimieren, dass Wärme von außen in den Kühlschrank fließt.

Wichtige Begriffe zur Wärmeleitung

(1) Der stationäre Zustand eines Stoffes:-

Um den stationären Zustand eines Stoffes zu verstehen, betrachten wir einen festen Metallstab. Wir erhitzen nun ein Ende des Metallstabes. Dadurch hat ein Ende des Stabes eine höhere Temperatur und ein anderes Ende des Stabes eine niedrigere Temperatur.Aus der Diskussion über die Wärmeübertragung durch Leitung wissen wir, dass Wärmeenergie nur auf die aufeinanderfolgenden Moleküle übertragen wird. Unterteilen wir den massiven Metallstab in verschiedene Segmente, wie unten in der Abbildung gezeigt

Wenn der Metallbalken nicht isoliert ist, geht Wärme durch Konvektion und Strahlung an die Atmosphäre verloren. Dies kann verhindert werden, indem man etwas nicht leitendes Material um die Stange herum anordnet.

Wenn wir damit beginnen, die Stange am Ende P mit Wärme zu versorgen, dann erhält jeder Abschnitt der Stange Wärme von seinem benachbarten vorherigen Abschnitt. Das heißt, Abschnitt C erhält Wärme von Abschnitt B und Abschnitt B erhält Wärme von Abschnitt A.
Betrachten wir erneut die Abschnitte A, B und Abschnitt C. Nun erhält Abschnitt B Wärme von Abschnitt A. Ein Teil der erhaltenen Wärme wird absorbiert, wodurch die Temperatur von Abschnitt B steigt. Ein Teil der empfangenen Wärme fließt in die Atmosphäre. Der verbleibende Teil der Wärme wird an den benachbarten Abschnitt C übertragen.
In diesem Zustand steigt die Temperatur jedes Querschnitts des Stabes. steigt mit der Zeit weiter an. Dies ist der instationäre oder veränderliche Zustand der Wärmeleitung.

Wenn der Metallbalken nicht isoliert ist, geht Wärme durch Konvektion und Strahlung an die Atmosphäre verloren. Dies kann verhindert werden, indem man etwas nicht leitendes Material um den Stab legt.

Mit der Zeit und der kontinuierlichen Wärmezufuhr wird ein Zustand erreicht, in dem die Temperatur jedes Abschnitts gleichmäßig wird. In diesem Zustand wird von keinem Abschnitt des Stabes Wärme absorbiert.

Dieser Zustand des Stabes, in dem die Temperatur jedes Querschnitts des Stabes konstant wird und in keinem Teil mehr Wärme absorbiert wird, wird Steady-State oder Stationary-State genannt.

Hier ist es wichtig zu beachten, dass
(1) Die verschiedenen Abschnitte des Metallstabes haben eine unterschiedliche Temperatur, aber die Temperatur jedes Abschnitts bleibt im Laufe der Zeit konstant.

(2) Die Temperatur nimmt ab, je weiter man sich vom heißen Ende entfernt. Wärmeverluste an die Atmosphäre können verhindert werden, indem der Metallstab mit einem isolierenden Material abgedeckt wird. In diesem Fall findet im eingeschwungenen Zustand die gesamte Wärmeübertragung durch Leitung statt. Vom heißen Ende (höhere Temperatur) des Stabes zum kalten Ende (niedrigere Temperatur).

(2) Isotherme Oberfläche :-

Die Oberfläche eines Stoffes, bei der alle Teilchen oder Moleküle die gleiche Temperatur haben, nennt man eine isotherme Oberfläche.

Die folgende Abbildung 5 zeigt zwei isotherme Oberflächen $P$ und $Q$. Hier ist die Temperatur aller Punkte auf der Fläche $P$ gleich. Die Temperatur der Fläche $P$ ist nicht gleich der Temperatur der Fläche $Q$.

(3) Temperaturgradient :-

Die Änderungsrate der Temperatur mit der Entfernung in Richtung des Wärmestroms nennt man Temperaturgradient

Betrachten wir betrachten wir die folgende Abbildung

Die obige Abbildung zeigt zwei isotherme Flächen P und Q. Die Fläche P hat die Temperatur $(T+\Delta T)$ und die Fläche Q hat die Temperatur $T$.

Die Flächen $P$ und $Q$ in der obigen Abbildung sind isotherme Flächen. Sei $\Delta x$ der Normalenabstand zwischen diesen beiden Flächen.Nun ist die Temperatur von Abschnitt $P$ größer als die Temperatur von Abschnitt $Q$. Sei $(T+\Delta T)$ die Temperatur des Abschnitts $P$ und $T$ die Temperatur des Abschnitts $Q$; dann wird der Temperaturgradient geschrieben als
\begin{align}
text{grad.} T & = \frac{\text{change in Temp}}{\text{Normal distance}} \\ & =\frac{T-(T+\Delta T)}{\Delta x} \\\ & =-\frac{\Delta T}{\Delta x} \\\ enden{align}Der Temperaturgradient ist die positive Größe in Richtung der steigenden Temperatur. Da Wärme immer von einer höheren Temperatur zu einer niedrigeren Temperatur fließt. Der Temperaturgradient in Richtung des Wärmestroms hat einen negativen Wert.

(4) Der Wärmestrom :-

Die Wärmemenge, die aus einem isothermen Gebiet pro Zeiteinheit in Richtung der Wärmeausbreitung übertragen wird, nennt man Wärmestromrate. Sie wird mit $H$ bezeichnet. Sie wird auch als Wärmestrom bezeichnet.
Wenn $Q$ die in der Zeit t übertragene Wärmemenge ist; dann
$H=\frac{Q}{T}$ Einheiten sind $Kcal{s ^{ – 1}} $ , $J{s ^{ – 1}}$ und $cal{s ^{ – 1}}$

(5) Die spezifische Wärmestromrate:-

Die Wärmestromrate pro Flächeneinheit wird als spezifische Wärmestromrate bezeichnet. Sie wird mit $q$ bezeichnet.$q=\frac{H}{A}$
Einheiten sind $Kcal.{m^{ – 2}}{s^{ – 1}}$, $K{m^{ – 2}}{s^{ – 1}}$ und $Cal.cm^{ – 2}{s^{ – 1}}$

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Hinweise
• Wärmeübertragung
• Wärmeleitung
• Wärmeleitfähigkeit
• Wärmewiderstand und Leitwert
• Konvektionswärmeübertragung
• Strahlung und Schwarzkörperstrahlung
• Stefan-Boltzmann-Gesetz
• Natur der Wärmestrahlung &Wiener Verdrängungsgesetz
• Kirchoffsches Gesetz
• Newtonsches Gesetz der Abkühlung
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  • Wärme Transfer-Probleme
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• Wiederholungshinweise
  • Wärmeübertragungs-Wiederholungsblatt