WÄRMETRANSPORT
Wie Wärme wandert — Leitung · Strömung · Strahlung
Physik · BOS Vorklasse
Weiter mit → · Vollbild mit F
Drei Wege, wie Wärme sich ausbreitet
🔥→🧊
1 · Wärmeleitung
Von Teilchen zu Teilchen durch direkten Kontakt — vor allem in Festkörpern.
🌀
2 · Wärmeströmung
Warmes Material strömt selbst mit — nur in Flüssigkeiten und Gasen.
☀️
3 · Wärmestrahlung
Als elektromagnetische Wellen — ganz ohne Medium, sogar durchs Vakuum.
Grundidee: Wärme ist Bewegung
Jeder Körper besteht aus winzigen Teilchen, die ständig zittern.
Je heißer, desto heftiger die Bewegung.
Wärme wandert immer von heiß nach kalt — bis alles gleich warm ist.
① Wärmeleitung — Wärme durch Kontakt
Unter Wärmeleitung versteht man den Transport von Wärmeenergie innerhalb eines Stoffes. Die Weitergabe geschieht durch Aneinanderstoßen der kleinsten Teilchen — dabei werden keine Teilchen von A nach B bewegt.
- Beispiel: ein Metallstab in der Flamme — nach kurzer Zeit wird auch das andere Ende heiß.
- Im Teilchenmodell: am heißen Ende schwingen die Teilchen stärker, stoßen ihre Nachbarn an und geben Energie weiter.
- So wandert die Wärme als Kettenreaktion durch den Stab — immer von heiß nach kalt.
→ Gleich im Teilchenmodell als Animation.
① WärmeleitungTeilchenmodellAuto-Demo oder 🎬 Mit Sprecher
Wie gut leitet welcher Stoff? — Wärmeleitkoeffizient λ
| Stoff | λ in W/(m·K) |
|---|
| Kupfer | 401 |
| Gold | 314 |
| Aluminium | 236 |
| Messing (≈) | 120 |
| Edelstahl (≈) | 15 |
| Beton | 2,1 |
| Holz | 0,1 |
| Styropor | 0,04 |
| Luft | 0,03 |
- Hoch = guter Wärmeleiter, niedrig = Wärmeisolator.
- Metalle (Kupfer, Alu) leiten hervorragend — Kunststoff, Holz und Luft kaum.
- Unsere 4 Stäbe (grün): Kupfer → Aluminium → Messing → Edelstahl.
- Das ist die Reihenfolge, die wir gleich selbst messen.
→ Jetzt das Experiment.
Experiment4 Stäbe im VergleichKupfer · Alu · Messing · Edelstahl — welcher leitet am besten?
Warum Metalle?Wärme & Strom — dasselbe ElektronengasWiedemann-Franz-Gesetz
② Wärmeströmung (Konvektion) — Materie strömt mit
Bei der Wärmeströmung erfolgt der Wärmetransport durch sich bewegende Materie: Ein Fluid wird erwärmt, strömt an einen anderen Ort und trägt die Wärme mit sich.
- Nur in Flüssigkeiten und Gasen möglich — die Teilchen müssen frei beweglich sein.
- Warmes Fluid dehnt sich aus → wird leichter → steigt auf; kaltes sinkt → es entsteht ein Kreislauf.
- Beispiele: Heizkörper heizt den Raum, kochendes Wasser, Wind, Umwälzung in Seen — und der Golfstrom.
→ Gleich als Animation.
② WärmeströmungKonvektionwarm steigt, kalt sinkt · Toggle: Wasser < 4 °C
Der Golfstrom — die „Heizung" für Europa
Der Golfstrom ist physikalisch eine riesige Wärmeströmung: Er transportiert warmes Wasser aus den Tropen bis in den Nordatlantik.
- Tropen: Wasser warm & salzarm → geringe Dichte → strömt an der Oberfläche nach Norden.
- Nordatlantik: Wasser kalt & salzreich → hohe Dichte → sinkt in die Tiefe.
- Am Meeresboden strömt kaltes Wasser zurück nach Süden → ein globaler Kreislauf.
- Unterwegs gibt der Golfstrom Wärme ab → Europa hat viel mildere Winter als z. B. Nordamerika auf gleicher Breite.
→ Gleich als Animation.
GolfstromGlobale Wärmeströmung im Meerwarm nach Norden · kalt zurück in der Tiefe
③ Wärmestrahlung — Energie als Wellen
Bei der Wärmestrahlung wird Energie mithilfe von hochenergetischen (elektromagnetischen) Wellen übertragen.
- Klassisches Beispiel: Sonnenstrahlen. Treffen die Wellen auf Materie, wird ein Teil absorbiert → die Teilchen bewegen sich stärker → die Materie wird wärmer.
- Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts strahlt — auch dein Körper (das sieht die Wärmebildkamera).
- Der große Unterschied: Strahlung braucht kein Medium — sie funktioniert sogar im Vakuum. Deshalb erreicht uns die Sonnenwärme durch den leeren Weltraum.
→ Gleich als Animation.
③ WärmestrahlungEnergie durchs VakuumSonne → leerer Raum → Erde · Infrarot
SyntheseDie Thermoskannealle drei Wege gleichzeitig gesperrt
Zusammenfassung
| Mechanismus | Wie | Braucht Medium? | Wo |
|---|
| Wärmeleitung | Kontakt der Teilchen | ja | Festkörper (Metalle top) |
| Wärmeströmung | Materie strömt mit | ja | Flüssigkeiten & Gase (z. B. Golfstrom) |
| Wärmestrahlung | elektromagn. Wellen | nein | überall, auch Vakuum |
Die Thermoskanne sperrt alle drei auf einmal.
Fragen zum Mitdenken
- Warum fühlt sich Metall kälter an als Holz — bei gleicher Temperatur?
- Welcher der vier Stäbe leitet die Wärme am besten? Und warum?
- Warum erreicht uns die Sonnenwärme, obwohl dazwischen Vakuum ist?
- Warum ist eine Thermoskanne innen verspiegelt?
- Warum hat Europa mildere Winter als Nordamerika auf gleicher Breite?
- Bonus: Warum friert ein See von oben zu und nicht von unten?
BackupDichteanomalie des Wasserswarum Seen von oben zufrieren