Wärme und Wärmetransport

Wärme ist Energie die in einem Körper als ungerichtete Bewegung von Atomen und Molekülen gespeichert ist.

Sie entsteht überall dort, wo eine andere Form von Energie vernichtet wird, z.B. Reibungsenergie wenn wir uns die Hände reiben, oder aber auch die Energie des Lichts, wenn es absorbiert wird.

Wärme kann daher auf drei verschiedene Arten transportiert werden:

• Wärmeleitung: Direkte Übertragung der Atom- und Molekülbewegung durch Stöße, z.B. wenn die Oberflächenmoleküle einer warmen Wärmflasche mit den Oberflächenmolekülen unser Hand zusammenstoßen.Unterschiedliche Stoffe können dabei die Wärme unterschiedlich gut oder schlecht leiten. Metall leitet Wärme z.B. sehr gut, deshalb fühlt sich 20 °C warmes Metall kalt an, wenn wir es anfassen: Die Wärme aus unserer Hand wird vom Metall sehr gut aufgenommen, und fehlt unserer Hand dann. 20 °C warmes Styropor dagegen leitet Wärme sehr schlecht, und fühlt sich warm an, da es unserer Hand keine Wärme entzieht. Wärmeleitung findet hauptsächlich zwischen Festkörpern oder Festkörper und Flüssigkeit statt.
• Wärmekonvektion: Mischt man warme Materie (z.B. heißen Kaffee) die aus sich schnell bewegenden Teilchen besteht, und kalte Materie (einen Schuss kalte Milch), in der sich die Moleküle und Atome langsam bewegen, so entsteht im Mittel lauwarme Materie (Milchkaffee). Auch hier wurde Wärme von der warmen Materie auf die kalte Materie übertragen. Da sich die Teilchen vermischen müssen, kann Wärmekonvektion nur in Gasen oder Flüssigkeiten stattfinden, aber nicht in Festkörpern oder Vakuum.
• Wärmestrahlung: Sichtbares Licht und auch unsichtbare Strahlung (also UV und IR) müssen die Energie die sie transportieren irgendwo hin abgeben, wenn sie auf einem Körper absorbiert werden. Die Energie wird in Wärme umgewandelt. Umgekehrt beginnt ein warmer Körper seinerseits Energie abzustrahlen, die Wellenlänge der abgestrahlten Wärmestrahlung lässt sich über das Wiensche Verschiebungsgesetzt berechen: Wellenlänge (in µm) = 3000 / Temperatur (in Kelvin). Wärmestrahlung ist die einzige Möglichkeit Wärme durch Vakuum zu transportieren.

1. Heizstein / Heizmatte / Heizkabel Diese Geräte werden über durch Ohmsche Verluste des Stroms auf 30-50°C erwärmt. Bei dieser Oberflächentemperatur strahlen sie Wärmestrahlung im Mikrowellenbereich mit einer sehr geringen Intensität ab. Diese trägt praktisch nicht zur Erwärmung der Umgebung bei.Erwärmt wird hauptsächlich über Wärmeleitung das Substrat und das Tier, das direkten Kontakt mit dem Heizelement hat. Auch die Luft wird so erwärmt
2. Infrarotdunkelstrahler / Keramikstrahler Das Heizelement hat eine Oberflächentemperatur von etwa 400 °C bis 700 °C und strahlt damit Wärmestrahlung im Bereich der Infrarotstrahlung (vor allem IRB und IRC) ab. Diese Wärmestrahlung ist hauptsächlich für die Erwärmung von Tier und Substrat in der Nähe des Strahlers verantwortlich. Die so erwärmten Oberflächen geben über Wärmeleitung auch Wärme an die Luft ab, genauso wie der direkte Kontakt von Luft und Heizelement.
3. Rotlichtlampen Hier wird eine Glühbirne mit rotem Glas verwendet. Der Glühdraht hat eine Temperatur von etwa 2000°C und strahlt Wärmestrahlung im Bereich der Infrarotstrahlung (IRA und IRB) ab. Sichtbares Licht wird durch das rote Glas abgedämpft.
   Die Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in optische Strahlung liegt bei 85% (Glühbirne) [15]
4. Halogenmetalldampflampe (und andere Entladungslampen) Hier wird Strahlung nicht - wie bei den anderen Beispielen - nach den Gesetzen der Wärmestrahlung erzeugt, sondern über Atomübergänge. Die Strahlung deckt den sichtbaren Bereich, sowie Teile des UV- und Infrarotbereichs ab. Die Strahlung wirkt bei ihrer Absorption als Wärmestrahlung, und erwärmt Substrat / Tier unter der Lampe.
   Die Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in optische Strahlung liegt bei 35% (hql) bis 45-60% (hqi) [59]
5. Frostwächter Der Frostwächter findet hauptsächlich in Gewächshäusern und Frühbeeten bei Landschildkrötenhaltern Einsatz. Er erwärmt Luft an den Heizdrähten durch Wärmeleitung. Die warme Luft wird anschließend durch ein Gebläse in den angrenzenden Raum verteilt, es findet also Konvektion statt.
6. Mikrowelle Die Mikrowellenstrahlung wird hier ebenfalls nicht über ein Temperaturphänomen sondern durch einen Dipolsender erzeugt. Aufgrund der besonders guten Absorptionseigenschaften des Wassers in diesem Wellenlängenbereich erwärmt die Mikrowellenstrahlung als Wärmestrahlung das flüssige Wasser in der Nahrung. Über Konvektion und Wärmeleitung werden auch die restlichen Bestandteile erwärmt.Die Mikrowellenstrahlung der Heizmatte (Beispiel 1) ist dazu aufgrund ihrer geringen Intensität nicht in der Lage
7. Auch der Mensch strahlt bei einer Körpertemperatur von 37°C Wärmestrahlung ab. Sie liegt ebenfalls im Mikrowellenbereich. Bei 1,6 m² Hautoberfläche sind das etwa 16 kWh = 13.793 kcal pro Tag! [69] - Bei einer durchschnittlichen Aufnahme von nur 2.500 kcal am Tag können wir froh sein, dass wir einen großen Teil dieser Energie auch wieder in Form von Wärmestrahlung aufnehmen können.