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'''Wärmeübertragung''' oder '''Wärmetransport''' ist der Transport von Energie in Form von [[Wärme]] über mindestens eine [[Thermodynamik|thermodynamische]] Systemgrenze hinweg.
Es gibt drei Arten von Wärmetransportvorgängen:
* [[Wärmeleitung]] durch mechanische Berührung,
* [[Konvektion (Wärmeübertragung)|Konvektion]], das Mitführen [[thermische Energie|thermischer Energie]] in einem strömenden Medium,
* [[Wärmestrahlung]], also elektromagnetische Wellen.

Die Wärmeübertragung erfolgt entsprechend dem [[Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik|zweiten Hauptsatz der Thermodynamik]] immer in Richtung der Orte mit tieferen [[Temperatur]]en.

Die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einem [[Fluid]] bezeichnet man als [[Wärmeübergang]]. Der Wärmeübergang wird durch den [[Wärmeübergangskoeffizient]]en beschrieben.

Von [[Wärmedurchgang]] von einem Fluid durch eine Wand auf ein anderes Fluid wird gesprochen, wenn die Wärmeleitung durch die Wand zusammen mit den Wärmeübergängen an den beiden Oberflächen betrachtet wird.

Eine [[physikalische Größe]] der Wärmeübertragung ist der ''[[Wärmestrom]]''.

Technische Vorrichtungen zur Übertragung von Wärme heißen ''[[Wärmeübertrager]]''. Die in der Umgangssprache historisch bedingt verbreitete Bezeichnung ''Wärmetauscher'' verweist darauf, dass die Wärmeübertragung grundsätzlich in beiden Richtungen erfolgen kann, abhängig davon, welches der beiden Medien das wärmere ist. Der Wärmestrom erfolgt in einem Wärmetauscher stets vom warmen zum kalten Medium, gleichgültig auf welcher Seite des Übertragers es sich befindet. So lässt sich in der Gebäudetechnik z. B. ein in der Anlage verbauter [[Plattenwärmetauscher]] im Winter zur Einkopplung von Heizenergie in ein Flächenheiz- und Kühlsystem (z. B. Heiz- und Kühldecke) einsetzen, im Sommer hingegen durch Entzug von Wärme aus dem durch die Anlage zirkulierenden [[Wärmeträger]] zum Kühlen nutzen.

== Arten ==
Bezüglich der ''Gesamtenergie'' erfolgt die Wärmeübertragung immer von „warm“ zu „kalt“ auf drei unterschiedliche Arten:
# Bei der ''[[Wärmeleitung]]'' oder ''Konduktion'' wird [[kinetische Energie]] zwischen benachbarten [[Atom]]en oder [[Molekül]]en ''ohne'' Materialtransport übertragen. Diese Art der Wärmeübertragung ist ein [[irreversibler Prozess]] und transportiert die Wärme im statistischen Mittel vom höheren Energieniveau (mit höherer absoluter Temperatur) auf das niedrigere Niveau (mit niedrigerer Temperatur). Auch der Wärmetransport durch die Bewegung freier Elektronen im Metall wird als Wärmeleitung bezeichnet. Typische Beispiele:
#:* Beim elektrischen [[Lötkolben]] wird die Wärmeenergie des Heizelementes einige Zentimeter weit zur Lötspitze übertragen
#:* Jeder [[Kühlschrank]] wird durch [[Dämmstoff]]e „eingepackt“, um die Wärmeleitung des Gehäuses gering zu halten
#:* Ein [[Heizkörper]] ist meistens aus Metall gefertigt, damit die Wärmeenergie des heißen Wassers gut von innen an die äußere Oberfläche geleitet wird
#:* Eine Türklinke aus Metall fühlt sich kalt an, weil sie die Körperwärme gut ableitet
# Die ''[[Wärmestrahlung]]'' nach dem [[Stefan-Boltzmann-Gesetz]] ist ein Teil der [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]]. Meist wird die Energie durch [[Infrarotstrahlung|infrarote Wellen]], die ein Teil des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]] sind, transportiert. Im kosmischen, aber auch im submolekularen Bereich, sind auch andere [[Wellenlänge]]n bzw. [[Frequenz]]en des elektromagnetischen Spektrums am Energietransport in prozentual nennenswertem Umfang beteiligt. Bei der Wärmestrahlung gibt es – bei detaillierter Betrachtung – nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm, weil es keine nichtstrahlenden Oberflächen gibt (das würde den [[Emissionsgrad]] = 0 erfordern). Der Wärmestrom von warm nach kalt ist aber ''immer'' größer als umgekehrt, so dass die Resultierende von beiden Wärmeströmen immer von warm nach kalt zeigt. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied wird insgesamt immer verringert. Wärmestrahlung ist die einzige Wärmeübertragungsart, die auch das [[Vakuum]] durchdringen kann. Typische Beispiele:
#:* Die Erde wird von der Sonne durch die Strahlung erwärmt, die die Sonne als Wärmestrahlung aussendet.
#:* Ein leistungsstarker [[Kohlendioxidlaser]] kann durch sein sehr helles Licht Metalle schmelzen. Dabei handelt es sich aber nicht um [[Wärmestrahlung]].
#:* [[Thermoskanne]]n werden innen verspiegelt, damit der Inhalt wenig Energie durch Wärmestrahlung verliert.
# Bei der ''[[Konvektion]]'' oder ''Wärmeströmung'' wird Wärme von einem strömenden [[Fluid]] als [[innere Energie]] oder [[Enthalpie]] mitgeführt. Konvektion tritt immer dann auf, wenn ein strömendes Fluid Wärme von einer Oberfläche aufnimmt oder an sie abgibt. Im Zusammenhang mit Konvektion treten typischerweise ''konvektive Zellen'' auf, innerhalb derer das Fluid in einem Kreislauf zwischen Wärmequelle und -senke zirkuliert. Konvektive Zellen können sehr klein oder auch sehr groß sein, große Zellen können viele kleinere Zellen enthalten. Typische Beispiele:
#:* Ein elektrischer Heizstab erwärmt das Wasser in einem Warmwasserspeicher. Durch freie Konvektion verteilt sich das erwärmte Wasser im gesamten Volumen des Speichers.
#:* Das Metall eines [[Heizkessel]]s gibt Wärmeenergie an die vorbeilaufende Flüssigkeit ab. An der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Metall dominiert die Wärmeleitung, während sich die Wärme in der vorbeilaufenden Flüssigkeit durch Konvektion verteilt. Die durch Konvektion in die Flüssigkeit übertragbare Wärmemenge wird von der [[Turbulente Strömung|Turbulenz der Strömung]] und damit von der Geometrie der Oberfläche sowie der Geschwindigkeit der Strömung bestimmt. Je nach dem inneren Volumen des Heizkessels sind die konvektiven Zellen dabei millimeter- bis zentimetergroß.
#:* Die erwärmte Flüssigkeit des Heizkessels kann allein durch ''natürliche Konvektion'' zu den Heizkörpern transportiert werden. Die Zellen haben dann die Größe der Heizkreisläufe. Heutzutage werden überwiegend Pumpen eingesetzt, da dadurch kleinere Rohrquerschnitte möglich sind.
#:* Der Wind und damit das Wetter werden durch die konvektive [[Planetarische Zirkulation]] bestimmt. Die größten Zellen sind tausende Kilometer lang und breit und einige Kilometer hoch.
#: Sobald das Fluid zwangsweise bewegt wird, stützen sich Berechnungen nicht mehr auf die freie Konvektion, sondern auf den Massentransport, der von der Förderleistung der Pumpe bzw. des Lüfters und der Wärmekapazität des beförderten Mediums abhängt. Der von außen induzierte Wärmetransport ist auch mit bewegten Festkörpern denkbar.
#:* Ein elektrischer Heizstab erhitzt das Wasser in einer Wasch- oder einer Spülmaschine. Durch die Umwälzpumpe wird das erwärmte Wasser im gesamten Innenraum der Maschine verteilt.
#:* Bei einer Heizungsanlage mit Pumpe strömt das Heizwasser mit der durch die Pumpe vorgegebenen Geschwindigkeit zu den Heizkörpern. Im Heizkörper verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit stark, so dass infolge der Abkühlung an der inneren Oberfläche des Heizkörpers zusätzlich auch freie Konvektion auftritt.
#:* Im [[Haarfön]] erfolgt die Hinführung der erwärmten Luftströmung zum Haar durch den vom Lüfter induzierten Massentransport, die Rückführung der erkaltenden Luftströmung zum Haarfön hingegen durch die Konvektion im Zimmer.

Meist wirken bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Innerhalb von [[Festkörper]]n findet vor allem Wärmeleitung, aber ggf. auch Wärmestrahlung statt. In Flüssigkeiten und [[Gas]]en ist zusätzlich Wärmeströmung möglich. Wärmestrahlung findet zwischen Oberflächen statt, wenn das dazwischenliegende Medium wenig Wärmeenergie [[Absorption (Physik)|absorbiert]], idealerweise also im Vakuum. Auch Gase sind für die Wärmestrahlung weitgehend durchlässig ([[diatherm]]).

Auch Systeme im Gleichgewichtszustand (gleiche Temperatur) tauschen Wärme aus. Allerdings sind abgegebene und aufgenommene Wärme gleich groß, weshalb sich die Temperaturen nicht ändern.

=== Abgrenzung ===
Obwohl bei [[Dielektrische Erwärmung|dielektrischer Erwärmung]] und [[Induktive Erwärmung|induktiver Erwärmung]] Gegenstände erhitzt werden, handelt es sich nicht um Wärmeübertragung, weil die jeweiligen "Sender" die Energie weder auf Grund ihrer jeweiligen Temperatur abgeben noch diese mit zunehmender Temperatur steigt.

== Beispiel: Kühlsystem eines Verbrennungsmotors ==
In [[Wasserkühlung|wassergekühlten]] [[Verbrennungsmotor]]en geht ein Teil der beim Verbrennungsprozess anfallenden Wärme auf die Wand über, wird durch Wärmeleitung auf das Wärmetransportmittel Wasser übertragen, durch erzwungene [[Konvektion]] zum Kühler transportiert, dort an die Luft und mit dieser aus dem Motorraum an die Umgebung abgegeben.

Unter ''erzwungener Konvektion'' versteht man den Wärmetransportmechanismus in Flüssigkeiten und Gasen, bei dem durch makroskopische Strömungsvorgänge (z. B. mechanischer Antrieb durch Propeller von Pumpen oder Ventilatoren) Wärme in Form von innerer Energie von einem Ort zum anderen befördert wird.

Der Wärmeübergang an das Fluid ist dabei maßgeblich von der Strömungsform abhängig. In [[Laminare Strömung|laminaren Strömungen]] erfolgt der Wärmetransport durch die fehlenden Querbewegungen der Teilchen überwiegend durch Wärmeleitung. In [[Turbulente Strömung|turbulenter Strömung]] hingegen übersteigt der Wärmeaustausch durch Mischbewegung wesentlich den durch Wärmeleitung. Da sich an der benetzten Oberfläche eines angeströmten Festkörpers durch Reibung immer eine laminare Grenzschicht ausbildet, ist der Wärmeübergang maßgeblich von der Dicke dieser Grenzschicht abhängig.

Nach der Übertragung der Wärme an das Fluid wird diese vom Stoffstrom aus dem Verbrennungsmotor zum Kühlmittelkühler transportiert. Die Wärmeübertragung im Kühler erfolgt nach dem gleichen physikalischen Prinzip, wie im Verbrennungsmotor. Die Wärme fließt über die Rohrwände an die [[Kühllamelle]]n und wird von dort vom Luftmassenstrom aufgenommen und abtransportiert.

An den Kühllamellen des Kühlers bildet sich ebenfalls eine laminare Grenzschicht der Kühlluft aus, durch deren Wärmeleitung der Wärmetransport maßgeblich bedingt ist.

== Beispiel: Bauwesen ==
Das [[Gebäudeheizung|Heizen]] eines Gebäudes, allgemein das Konstanthalten der [[Innentemperatur]] auf einem Richtwert, beruht auf der Energiebilanz zwischen Wärmeübertragung des Gebäudes an die Umgebung (Wärmeverlust) und Wärmeübertragung des Heizsystems auf das beheizte Raumvolumen, und stellt den benötigten [[Heizenergiebedarf]] dar (Thermischer Anteil der [[Energiebedarfsberechnung]]).

Die Wärmeverluste des Gebäudes werden allgemein über die Wärmeübertragung durch Bauteile nach [[EN ISO 6946]] berechnet (für unbeheizte Gebäudeteile u. a. nach [[EN 832]]).

Die Vorgänge bei der Raumheizung sind komplex, denn [[Wärmeleitung]], [[Konvektion]] und [[Wärmestrahlung]] überlagern sich und verlaufen in der Regel [[Instationarität|instationär]]. Je nachdem welche Anteile überwiegen, spricht man beispielsweise von einer [[Konvektionsheizung]] oder einer [[Strahlungsheizung]], wobei die Heizflächen in die Umfassungen integriert oder als frei stehende [[Heizkörper]] angeordnet sein können. Dazu verwendet man ''[[Wärmetechnisches Raummodell|wärmetechnische Raummodelle]].''<ref name="Glück">{{Literatur |Autor=Bernd Glück |Titel=Wärmeübertragung; Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren |Auflage=2. |Verlag=Verlag für Bauwesen |Ort=Berlin |Datum=1990 |ISBN=3-345-00515-8 |Online=[https://berndglueck.de/dl/?dl=Waermeuebertragung+Waermeuebertragung.pdf Online] |Format=PDF | KBytes=18200 |Abruf=2021-08-30}} des Weiteren: [http://www.berndglueck.de/raummodell.php Dynamisches Raummodell]</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Norbert Elsner, Siegfried Fischer, Jörg Huhn
|Titel=Grundlagen der Technischen Thermodynamik. Band 2, Wärmeübertragung
|Verlag=Akademie Verlag
|Ort=Berlin
|Datum=1993
|ISBN=3-05-501389-1}}
* {{Literatur
|Autor=Walter Wagner
|Titel=Wärmeübertragung
|Verlag=Vogel
|Ort=Würzburg
|Datum=1998
|ISBN=3-8023-1703-3}}
* {{Literatur
|Autor=VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
|Titel=VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang
|Auflage=11.
|Verlag=Springer Vieweg
|Ort=Berlin
|Datum=2013
|ISBN=978-3-642-19980-6}}

== Weblinks ==
* John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V: [http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html ''A Heat Transfer Textbook''.] mit.edu, 2000–2016 (PDF download; englisch)
* Wärmeübertragungen einfach erklärt: [https://doctrade.org/waermeuebertragungsarten-fachinterne-pruefung-physik-klasse-10/ Wärmeuebertragungsarten] (Dokument: Deutsch)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4064211-2}}

[[Kategorie:Thermodynamik|Warmeubertragung]]
[[Kategorie:Technische Chemie|Warmeubertragung]]

Wärmeübertragung - Versionsgeschichte

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