Wärmeübertragung aufgrund von Temperaturunterschieden: Anwendungen und Unterscheidungen in der technischen Thermodynamik und Wärmeübertragung

In den unzähligen Welten, in denen wir leben, laufen ständig verschiedene Prozesse ab. Einer der physikalischen Prozesse, der am engsten mit dem menschlichen Überleben verbunden ist, ist die Übertragung von Wärmeenergie. Von der zentralen Klimaanlage in modernen Gebäuden bis zur Entstehung natürlicher Wetterphänomene wie Frost, Regen und Schnee, von den Herausforderungen des Wärmeschutzes von Raumfahrzeugen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre bis zur effektiven Kühlung elektronischer Geräte, von den jahreszeitlich bedingten Veränderungen in der Kleidung der Menschen bis zur Tiefkühllagerung von Lebensmitteln - alle sind eng mit dem Prozess der Wärmeübertragung verbunden.

Die Wärmeübertragung ist eine Disziplin, die sich mit den Gesetzen der Wärme- oder Energieübertragung aufgrund von Temperaturunterschieden befasst. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass überall dort, wo es einen Temperaturunterschied gibt, Wärme von einem Objekt mit höherer Temperatur auf ein Objekt mit niedrigerer Temperatur übertragen wird. Diese übertragene Wärme wird oft als thermische Energie bezeichnet.

Temperaturunterschiede gibt es überall in der Natur und in verschiedenen Bereichen der Produktionstechnik, so dass die Wärmeübertragung ein sehr häufiges physikalisches Phänomen ist. So werden beispielsweise Winde in der Natur durch Temperaturunterschiede zwischen zwei Orten verursacht, die dazu führen, dass Luft von einem Gebiet mit höherer Temperatur in ein Gebiet mit niedrigerer Temperatur strömt, was wiederum durch die Erdrotation beeinflusst wird und Winde erzeugt. Meeresströmungen und Taifune werden ebenfalls durch Temperaturunterschiede verursacht, die zur Bewegung von Wasser oder Luft führen. In der industriellen Produktion wird bei der Verwendung von Kohlenstofffaser-Heizrohren zur Erwärmung von Produkten auch die Wärme von den Heizrohren auf das erwärmte Material übertragen, was ein weiterer Prozess der Wärmeübertragung ist.

Die so genannten Wärmeübertragungsgesetze setzen in erster Linie die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge mit der entsprechenden Temperaturdifferenz innerhalb eines Objekts in Beziehung. Die Beziehung der ersten Stufe, die dieses Gesetz widerspiegelt, wird zur Geschwindigkeitsgleichung der Wärmeübertragung. In den folgenden Artikeln werde ich mit Ihnen die Geschwindigkeitsgleichungen für die drei grundlegenden Arten der Wärmeübertragung unter bestimmten vereinfachten Bedingungen diskutieren. Eine tiefere Ebene der Untersuchung besteht darin, die Temperaturverteilung an verschiedenen Punkten innerhalb eines Objekts unter verschiedenen Bedingungen zu ermitteln.

Wärmeübertragungsstudien und technische Thermodynamik sind beides Disziplinen, die mit thermischen Phänomenen zu tun haben. In der chinesischen Ingenieurausbildung werden diese beiden Studiengänge unter dem Begriff Wärmetechnik zusammengefasst. Der grundlegende Unterschied zwischen diesen beiden Wissenschaftszweigen lässt sich wie folgt erklären: Die technische Thermodynamik untersucht Systeme im Gleichgewicht, in denen keine Temperatur- oder Druckunterschiede bestehen, während die Wärmeübertragung genau das Gegenteil untersucht, nämlich die Gesetze der Wärmeübertragung, die Temperaturunterschiede beinhalten. Betrachten wir zum Beispiel den Prozess der Abkühlung eines Stahlblocks von 1000°C in einem Ölbad auf 100°C. Die Thermodynamik untersucht die Wärme, die pro Kilogramm Stahlbarren während dieses Abkühlungsprozesses verloren geht, und die Wärme, die vom Ölbad aufgenommen wird, aber die Thermodynamik kann uns nicht sagen, wie lange es dauert, bis dieses Temperatursystem das Gleichgewicht erreicht. Diese Zeit hängt von der Temperatur des Ölbads, der Bewegung des Öls, den physikalischen Eigenschaften des Öls usw. ab, also genau von der Wärmeübertragung.

Darüber hinaus gibt es aufgrund des oben erwähnten grundlegenden Unterschieds eine Unterscheidung zwischen den in der Thermodynamik und der Wärmeübertragung verwendeten physikalischen Parametern: In der Thermodynamik beinhalten die physikalischen Größen keine Zeit, während bei der Wärmeübertragung die wichtigsten physikalischen Größen in Zeit angegeben werden, d. h. bei der Wärmeübertragung geht es eher darum, wie viel Wärmeenergie pro Zeiteinheit übertragen werden kann. Andererseits sind Studien zur Wärmeübertragung eng mit der technischen Thermodynamik verbunden: Bei der Analyse jedes Wärmeübertragungsprozesses muss der Erste Hauptsatz der Thermodynamik, d. h. der Energieerhaltungssatz, berücksichtigt werden. Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik kann sowohl auf geschlossene als auch auf offene Systeme angewandt werden, wobei es bei jeder Art von System sowohl stationäre als auch instationäre Zustände gibt. Aus der Perspektive der Wärmeübertragung ist ein so genannter stationärer Prozess ein Prozess, bei dem sich die Temperatur an jedem Punkt des Systems im Laufe der Zeit nicht ändert, während sich bei einem instationären Prozess die Temperaturen an jedem Punkt im Laufe der Zeit ändern.

In künftigen Diskussionen über die Wärmeleitung in Festkörpern werden wir den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme anwenden, während die Untersuchung der konvektiven Wärmeübertragung die Verwendung offener Systeme erfordert. Wenn Wärmeenergie von einem Medium auf ein anderes übertragen wird, muss der Grundsatz der Energieerhaltung auch an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien angewandt werden, wie z. B. bei dem erwähnten Abkühlungsprozess eines Stahlblocks in einem Ölbad. An der Grenzfläche zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit sind die vom Festkörper auf die Flüssigkeit übertragene Wärme und die von der Flüssigkeit aus dem Festkörper aufgenommene Wärme unabhängig davon, ob der Wärmeübertragungsprozess stationär oder instationär ist, gleich groß. Die in der Mittelstufenphysik erwähnten Begriffe Energiebilanz und Wärmebilanz sind eigentlich einfache Bezeichnungen für den Ersten Hauptsatz der Thermodynamik.

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