Konventionelle Heizungen erwärmen die Luft vor allem durch Wärmekonvektion – diese Katze nutzt allerdings das Prinzip der direkten Wärmeleitung. Foto: Helmut J. Salzer / www.pixelio.de
Leitung, Konvektion und Strahlung – wie bewegt sich Wärme?
Katzen haben es gerne warm und kuschelig. Im Sommer liegen sie in der prallen Sonne und im Winter auch schon mal direkt auf dem Heizkörper. In beiden Fällen fließt die Wärmenergie aus einer externen Quelle in ihren Körper – allerdings funktioniert die Übertragung jeweils auf völlig unterschiedliche Weise. In der Physik unterscheidet man insgesamt drei Formen des Wärmetransports: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Sie spielen auch im Baubereich eine große Rolle.
Wir gehen davon aus, dass die Heizung auf unserem Foto angeschaltet war. Und dass der Heizkörper in diesem Moment heißer war als der Körper der Katze. Wärmeenergie fließt nämlich immer nur dann von einem Ort zu einem anderen, wenn es einen Temperaturunterschied gibt. Und wenn sie fließt, dann grundsätzlich vom wärmeren Bereich hin zum vergleichsweise kälteren Bereich. Wäre die Katze genauso warm wie die Heizung, dann würde gar nichts passieren. Wäre der Heizkörper ausgeschaltet, wäre es die Katze, die diesen wärmen würde, und nicht umgekehrt.
Temperaturdifferenz notwendig
Ähnlich wie mit der Katze verhält es sich auch mit der Luft in einem Raum. Nur solange sie kühler als der Heizkörper ist, wird sie von diesem erwärmt. Das grundlegende physikalische Gesetz, dass Wärme nur bei einem vorhandenen Temperaturunterschied fließt, gilt nicht nur für die Übertragung von einem Festkörper auf den anderen, sondern auch zwischen Festkörpern und Gasen (z. B. Luft) beziehungsweise Flüssigkeiten.
Ist die Raumluft so stark erhitzt, dass ihre Temperatur höher als die der Raumwände oder des Mobiliars ist, dann fließt ebenfalls Wärme: von der Luft in die Wände bzw. in die Dinge. Ist die Innenseite der Wand wärmer als ihre gegenüberliegende Seite, dann fließt Wärmeenergie aus dem Raum ab – entweder in Nachbarräume oder ins Freie. Kurzum: Wenn Wärme einen Willen hätte, könnte man sagen, dass es ihr permanenter Wunsch ist, Temperaturdifferenzen auszugleichen.
Wärmeleitung
Wird Wärme innerhalb von Festkörpern (also z. B. in Baustoffen) übertragen, funktioniert dies nach dem Prinzip der so genannten Wärmeleitung. Zur Übertragung kommt es dabei, weil die kleinsten Teilchen innerhalb des Festkörpers aneinander stoßen. Je mehr man einen Körper erhitzt, umso stärker beginnen seine Atome bzw. seine Moleküle zu schwingen. Dadurch stoßen die Teilchen aus den erwärmten Bereichen auch die benachbarten Moleküle aus kühleren Bereichen an, sodass diese ebenfalls in Schwingungen geraten. Wie bei einem Dominoeffekt fließt so die Wärme Stück für Stück durch den Festkörper.
Das Charakteristische an der Wärmeleitung ist, dass die Moleküle zwar um ihren Ruhepunkt schwingen, sich selbst dabei aber nicht fortbewegen. Was sich bewegt, ist einzig und allein die Wärmeenergie. Diese Form der Wärmeübertragung macht es möglich, dass die Energie durch Außenwände hindurch nach draußen gelangen kann. Sie findet innerhalb von Feststoffen statt, aber auch zwischen mehreren Festkörpern, die sich berühren. Das können z. B. die Baustoffschichten eines Wandaufbaus sein. Und auch unsere Katze auf dem Foto erhält die Wärmeenergie durch direkte Wärmeleitung vom Heizkörper.
Wärmekonvektion
Durch die Sonne gelangt Wärmestrahlung in Lichtgeschwindigkeit auf die Erde. Foto: Uschi Dreiucker / www.pixelio.de.
Was aber passiert, wenn wir lüften? Auch dann wird ja Wärmeenergie nach draußen abgeführt, allerdings zusammen mit Teilen der Raumluft. Bei diesem Vorgang handelt es sich um die zweite Form des Wärmetransports: die so genannte Konvektion – auch Wärmemitführung genannt. Sie findet zwischen einem Festkörper und einem vorbeiströmenden Medium statt. Das Medium kann z. B. die Raumluft sein, aber auch das Wasser in einer Heizungsanlage.
Die Konvektion beim Lüften wird ausgelöst, wenn warme Raumluft durch den Windstrom von draußen oder durch den Ventilator einer Lüftungsanlage in Bewegung gerät. Anders als innerhalb eines Feststoffs oder zwischen zwei Feststoffen, die sich berühren, erfolgt aber keine Weitergabe der Wärmeenergie von Molekül zu Molekül. Stattdessen sind es die Luftteilchen selbst, die sich an einen anderen Ort bewegen, mitsamt der in ihnen gespeicherten Wärmeenergie.
Wärmeübertragung durch Konvektion findet auch zwischen Wänden und der Raumluft statt. Entscheidend dabei ist immer, dass die Luft in Bewegung sein muss, nur dann kann sie Wärme mitführen. In einem Raum mit geschlossnen Fenstern und ohne Windzug durch Bauwerksritzen werden die Luftmassen vor allem durch Heizungswärme in Bewegung gesetzt. Konventionelle Heizkörper erwärmen die Luft im unteren Bereich des Raums. Sie wird dadurch leichter und steigt nach oben. Es findet also eine Wärmekonvektion in Richtung Zimmerdecke statt. Dort kühlt sich die Luft im Laufe der Zeit wieder ab, wird schwerer und fällt erneut nach unten, in den Bereich des Heizkörpers. Nun beginnt das Spiel von Aufheizung und Abkühlung von Neuen.
Wärmestrahlung
Die dritte grundsätzliche Form des Wärmetransports wird als Strahlung bezeichnet. Das Besondere: Wärmestrahlung funktioniert ganz ohne Medium oder schwingende Moleküle. Sie findet selbst im Vakuum statt, also z. B. im Weltraum. Das beste Beispiel dafür ist die Sonne. Sie sendet Wärmeenergie in Form von elektromagnetischen Wellen quer durch den luftleeren Raum auf die Erde. Und das unfassbar schnell – in Lichtgeschwindigkeit. Es kommt also zu einer Wärmeübertragung von der Sonne auf die Erde, ohne dass sich die beiden Himmelskörper berühren (Wärmeleitung) und ohne dass die Wärme über ein materielles Strömungsmedium übertragen wird (Konvektion).
Diese Strahlung macht sich der Mensch aber auch mithilfe selbst geschaffener Wärmequellen zunutze. So funktionieren z. B. Flächenheizungen für Fußboden, Wand und Decke mithilfe von Wärmestrahlung. Die schlaufenförmig verlegten, meist mit warmem Wasser gefühlten Rohrleitungen emittieren also elektromagnetische Strahlung, die von anderen Körpern im Raum aufgenommen werden. Natürlich ist die Strahlung hier weitaus geringer als bei der Sonne. Auch die bekannten „Heizpilze“, die man in den letzten Jahren immer häufiger in gastronomischen Außenbereichen antrifft, beruhen auf dem Prinzip der Wärmestrahlung. Die Vorteile einer Strahlungsheizung liegen einerseits darin, dass die Erwärmung der angestrahlten Körper schneller erfolgt als bei einer Konvektionsheizung, die zunächst vor allem die Luft erwärmt und dann erst die Dinge im Raum. Außerdem gibt es weniger Luftumwälzungen, was der Mensch als angenehmeres Raumklima empfindet.
Einschränkend muss man hinzufügen, dass die verschiedenen Formen des Wärmetransports in der Praxis nicht isoliert auftreten, sondern sich überlagern. Bei einer Strahlungsheizung wird durch die Erwärmung von Mobiliar und Wänden auch die Luft erhitzt, und eine Konvektionsheizung gibt – wie alle Körper – auch elektromagnetische Strahlung ab. Bei den unterschiedlichen Prozessen überwiegt nur eben immer eine Form der Wärmeübertragung.
