Wärme entweicht (oder überträgt) von innen nach außen (hohe Temperatur zu niedriger Temperatur) durch drei Mechanismen (entweder einzeln oder in Kombination) aus einem Haus:
- Konduktion
- Konvektion
- Strahlung
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- Konduktion: Wärme bewegt sich durch die Wände eines Hauses von einer hohen Temperatur im Inneren zu einer niedrigen Temperatur außerhalb.
- Konvektion: Wärme zirkuliert innerhalb der Räume eines Hauses.
- Strahlung: Wärme von der Sonne, die in ein Haus eindringt.
Konduktion
Konduktion ist ein Prozess, bei dem Wärme vom heißen Bereich eines festen Objekts zum kühlen Bereich eines festen Objekts durch die Kollisionen von Teilchen übertragen wird.
In anderen Worten, in Festkörpern haben die Atome oder Moleküle nicht die Freiheit, sich zu bewegen, wie es bei Flüssigkeiten oder Gasen der Fall ist, so dass die Energie in der Schwingung der Atome gespeichert wird. Ein Atom oder Molekül mit mehr Energie überträgt Energie auf ein benachbartes Atom oder Molekül durch physikalischen Kontakt oder Kollision.
Im Bild unten wird Wärme (Energie) vom Ende des Stabes in der Kerzenflamme weiter nach unten zum kühleren Ende des Stabes geleitet, da die Schwingungen eines Moleküls an das nächste weitergegeben werden; es gibt jedoch keine Bewegung von energetischen Atomen oder Molekülen.
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Beispiel für Konduktion
Eine Hand hält einen Metallstab über eine brennende Kerze. Die Moleküle erhitzen sich schnell an der Stelle, an der die Flamme den Stab berührt. Die Wärme breitet sich dann über den gesamten Metallstab aus und die Wärme ist dann für die Hand spürbar.
Beim Heizen von Häusern wird die Wärme durch Wärmeleitung durch feste Körper wie Wände, Böden und das Dach übertragen.
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Beispiel für Wärmeleitung in Bezug auf Wohnraumheizung
Stellen Sie sich den Querschnitt einer Wand in einem Haus vor. Im Inneren des Hauses ist es 65°F und außerhalb 30°F. Zwei Pfeile zeigen von der Innenseite des Hauses nach außen, um zu zeigen, wie die Wärme vom Inneren des Hauses nach außen durch die Wand mittels Leitung übertragen wird.
Wärmeverlust durch eine feste Wand mittels Leitung
Konvektion
Konvektion ist ein Prozess, bei dem Wärme von einem Teil eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas) zu einem anderen durch die Massenbewegung des Fluids selbst übertragen wird. Heiße Bereiche einer Flüssigkeit oder eines Gases haben eine geringere Dichte als kühlere Bereiche, so dass sie dazu neigen, aufzusteigen. Während die wärmeren Fluide aufsteigen, werden sie durch kühlere Fluide oder Gase von oben ersetzt.
Im folgenden Beispiel steigt die Wärme (Energie) aus der Kerzenflamme auf und wird durch die kühle Luft, die sie umgibt, ersetzt.
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Beispiel für Konvektion
Eine Hand wird über eine brennende Kerze gehalten. Während die Kerze die Luft erwärmt, steigt die Wärme zur Hand auf. Schließlich wird es zu heiß und die Hand zieht sich von der Kerze weg.
In Wohnräumen ist Konvektion der Mechanismus, durch den Wärme verloren geht, indem warme Luft nach außen entweicht, wenn die Türen geöffnet werden, oder kalte Luft durch die Ritzen oder Öffnungen in Wänden, Fenstern oder Türen ins Haus gelangt. Wenn kalte Luft in einem Raum mit der Heizung in Berührung kommt, absorbiert sie die Wärme und steigt auf. Da kalte Luft schwer ist, sinkt sie zu Boden und wird erwärmt, wodurch langsam die gesamte Raumluft erwärmt wird.
Anleitung: Drücken Sie den Play-Button unten und beobachten Sie, was mit der kalten Luft (blaue Pfeile) passiert, wenn sie ins Haus kommt und auf die warme Luft (rote Pfeile) trifft, die aus dem Heizungsschacht kommt:
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Beispiel für Konvektion in Bezug auf die Wohnraumheizung
Stellen Sie sich einen Raum vor, in dem links eine offene Tür kalte Luft einlässt und rechts ein Heizkörper Wärme erzeugt. Während der Heizkörper die Luft um ihn herum erwärmt, steigt die Luft auf und wird durch kühle Luft ersetzt. Sobald die warme Luft auf die Decke trifft, strömt sie nach links in Richtung der offenen Tür und kühlt dabei ab. Die kühle Luft aus der offenen Tür strömt nach rechts über den Boden zum Heizkörper, um erwärmt zu werden. Der Gesamteffekt ist eine kreisförmige Konvektionsströmung der Luft im Raum.
Strahlung
Strahlung ist die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen durch den Raum. Im Gegensatz zur Konvektion oder Konduktion, bei der die Energie von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern durch die Moleküle mit oder ohne deren physikalische Bewegung übertragen wird, benötigt Strahlung kein Medium (Moleküle oder Atome). Selbst im Vakuum kann Energie durch Strahlung übertragen werden.
In der Abbildung unten wandert das Sonnenlicht durch den Weltraum zur Erde, wo es keine Gase, Festkörper oder Flüssigkeiten gibt.
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Beispiel für Strahlung
Stellen Sie sich die Sonne und die Erde mit Pfeilen vor, die von der Sonne zur Erde durch den Raum reisen. Die Pfeile stellen die Energie dar, die durch Strahlung zur Erde gelangt, die dafür kein Medium (Atome oder Moleküle) benötigt.
Testen Sie sich selbst
Zuerst identifizieren Sie die Art des Wärmeverlustes im Haus, die in den Bildern A-J dargestellt ist, als entweder: Leitung, Konvektion oder Strahlung. Klicken Sie dann auf jedes Bild und ziehen Sie es in die richtige Kategorie am unteren Rand des Bildschirms.
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Testen Sie sich selbst: Arten von Wärmeverlust
Identifizieren Sie die Art des Wärmeverlustes (Leitung, Konvektion oder Strahlung) für jedes der folgenden Beispiele:
- Wärme entweicht durch das Dach eines Hauses
- Eine heiße Herdplatte
- Kochendes Wasser
- Eine Taschenlampen-Halogenlampe, die Licht und Wärme erzeugt
- Eine Tür hängt weit offen, die kalte Luft hereinlässt
- Ein Feuer, das Wärme erzeugt
- Wärme, die durch eine Wand entweicht
- Ein Spiegel, der Sonnenlicht reflektiert
- Wärme, die durch ein Fenster entweicht
- Wärme, die durch einen Schornstein entweicht
Antworten:
A. Konduktion
B. Strahlung
C. Konvektion
D. Strahlung
E. Konvektion
F. Strahlung
G. Konduktion
H. Strahlung
I. Konduktion
J. Strahlung
Energieverbrauch reduzieren
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie wir den Energieverbrauch reduzieren können.
- Der kostengünstigste Weg ist die Verbesserung der „Hülle“ des Hauses – die Wände, Fenster, Türen, das Dach und die Böden, die das Haus umschließen – durch Verbesserung der Isolierung (Leitungsverluste) und Abdichten der Luftlecks mit Dichtungsmaterial (Konvektionsverluste).
- Der zweite Weg, den Energieverbrauch zu reduzieren, ist die Verbesserung der Effizienz des Ofens, der die Wärme liefert.
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Linienzeichnung eines Hauses mit Pfeilen, die von den Wänden und dem Dach ausgehen und die &Pfeile zeigen, die in einer kreisförmigen Bewegung im Inneren des Hauses fließen und die Konvektion zeigen.