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Wärmeleitung und Konvektion – Metallstäbe, mehrschichtige Wände, Konvektionsströmungen

PhysikWärmelehre und GaseAlter 17–18

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Drei virtuelle Versuche zur Wärmeübertragung. A: Erhitzen Sie ein Ende eines Stabes (Kupfer, Aluminium, Messing, Eisen, Stahl oder Glas), stoppen Sie, wann die mit Wachs befestigten Reißzwecken abfallen, und verfolgen Sie das Temperaturprofil sowie den zu- und abfließenden Wärmestrom bis zum stationären Zustand P = kAΔT/L. B: eine Wand aus bis zu drei Schichten in Reihe mit Wärmewiderstand R = e/(λA), Wärmestrom Φ = ΔT/R und der Temperatur an jeder Grenzfläche. C: Konvektionsströmungen in einem Becherglas mit Wasser und einem Kaliumpermanganat-Kristall sowie in einem Rauchkasten mit Kerze; gemessen wird, wie lange Farbstoff oder Rauch für den Umlauf brauchen.

Lektion: Wärmeleitung (Fourier-Gesetz, Wärmewiderstand) und Konvektion

Was sie zeigt

Wärmeleitung überträgt Energie in einem Festkörper durch schwingende Teilchen und in Metallen durch bewegliche freie Elektronen; der Wärmestrom durch einen Stab oder eine Platte ist P = kAΔT/L (Fourier-Gesetz), gute Wärmeleiter haben also eine große Wärmeleitfähigkeit k. Schichten in Reihe addieren ihre Wärmewiderstände R = L/(kA), genau wie Widerstände in einem Stromkreis. In einem Fluid dehnen sich warme Bereiche aus, werden weniger dicht und steigen auf, während kühleres Fluid absinkt: eine Konvektionsströmung.

So funktioniert es

Wählen Sie in A. Wärmeleitung im Stab das Material, drücken Sie Erhitzen starten und notieren Sie, wann jede Reißzwecke fällt; mit Neue Messung vergleichen Sie Materialien, Länge L oder Durchmesser d, und ohne Haken bei Gedämmter Stab sehen Sie die seitlichen Verluste. Wählen Sie in B. Mehrschichtige Wand jede Schicht und ihre Dicke. Drücken Sie in C. Konvektion Brenner an und KMnO₄-Kristall einwerfen, oder stellen Sie Fluid auf den Rauchkasten und drücken Sie Kerze anzünden und Glimmendes Papier hinzufügen.

Einstellbare Parameter

  • Versuch A. Wärmeleitung im Stab, B. Mehrschichtige Wand, C. Konvektion
  • Material des Stabes Kupfer, Aluminium, Messing, Eisen, Edelstahl, Glas
  • Stablänge 20–50 cm
  • Stabdurchmesser 0,5–3 cm
  • Temperatur des heißen Endes 40–100 °C
  • Gedämmter Stab
  • Dicke der Wandschicht 2 (Dämmung) 0–30 cm
  • Fluid Wasser im Becherglas, Luft im Rauchkasten
  • Lage der Wärmequelle Links, Mitte, Rechts
  • Leistung der Wärmequelle 20–200 W

Fragen zum Erkunden

  1. Warum fällt die Reißzwecke bei 5 cm zuerst, und warum fallen manche nie?
  2. Warum ist im stationären Zustand der abfließende Wärmestrom gleich dem zufließenden?
  3. Warum steigt der violette Farbstoff über der Flamme auf und sinkt auf der anderen Seite ab?

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